T E M A. Algoritmos de criptografía simétrica. [2.1] Cómo estudiar este tema? [2.2] Cifradores de bloque. [2.3] Cifradores de flujo

Transcripción

1 Algoritmos de criptografía simétrica [2.1] Cómo estudiar este tema? [2.2] Cifradores de bloque [2.3] Cifradores de flujo [2.4] Funciones resumen T E M A 2

2 Esquema Algoritmos de criptografía simétrica Cifrado de bloque Cifrado de flujo Funciones resumen DES Cifrado Vernam MD5 IDEA Generadores de clave SHA-1 RC5 SHA-512 RC6 AES TEMA 2 Esquema

3 Ideas clave 2.1. Cómo estudiar este tema? Para estudiar este tema, además de las Ideas clave, lee los apartados 10.1, 10.2, 10.4 y 10.5 del capítulo 10 «Cifrados por bloques» y el capítulo 13 «Funciones resumen» del libro Criptografía y seguridad de computadores de Manuel Lucena, disponible en: Sin lugar a dudas los algoritmos criptográficos más empleados son los criptosistemas simétricos. Estos sistemas en los que la clave de cifrado y descifrado son idénticas (o de una es fácil desprender la otra) tienen el claro inconveniente de necesitar de un canal seguro para que las partes puedan intercambiar la clave de cifrado pero, así mismo, se trata de criptosistemas generalmente más rápidos que los asimétricos y que permiten obtener altos niveles de seguridad manejando claves de cifrado sensiblemente menores que estos. Dentro de este tema también se tratarán las funciones resumen, denominadas también funciones unidireccionales, que permiten obtener un resumen fijo ante cualquier mensaje de entrada. Las funciones resumen tienen numerosas aplicaciones en el mundo de la seguridad informática y, por sus similitudes con los criptosistemas simétricos, son tratados también en este tema. Este tema tiene como objetivo presentarte los algoritmos de cifrado simétrico y algoritmos de función resumen. Así el primer bloque engloba los siguientes conceptos: Los algoritmos de cifrado de bloque frente a los algoritmos de cifrado de flujo. Descripciones de los fundamentos y las características de los algoritmos de cifrado simétrico más relevantes. Algoritmos de generación de clave empleados en el cifrado de flujo. En segundo lugar, el tema trata las funciones resumen criptográficas: Características de las funciones resumen. Finalmente, se tratan los aspectos de seguridad de las funciones resumen y las debilidades detectadas hasta la fecha. TEMA 2 Ideas clave

4 2.2. Cifradores de bloque Este grupo lo componen cifradores que actúan sobre grupos de símbolos de tamaño fijo (en contraposición a los cifradores de flujo que actúan sobre símbolos aislados). Los bloques o grupos de símbolos son independientes entre ellos, por lo que cifrado y descifrado puede realizarse de forma asilada al resto de bloques. Algoritmo DES El algoritmo divide en cada iteración el bloque, de 64 bits, en dos mitades que procesará de forma alternativa. Sobre cada bloque se realizarán 16 iteraciones, en cada una de ellas se genera una clave distinta (basada en la clave del usuario) y se aplica una función denominada f. Cifrado y descifrado utilizan el mismo algoritmo pero con orden de claves inverso ( se utilizará en la primera iteración de cifrado y en la primera de descifrado). Función f: Compuesta por los siguientes elementos: 1. Permutación de expansión (bloques de 32 bits pasan a 48 bits). 2. XOR del bloque con. 3. Aplica un número de 8 S-cajas de 24 bits. 4. Permutación. Clave: Se utilizan claves de 48 bits en cada una de las iteraciones, calculadas a partir de la inicial de 64 bits. Características: Puede ser implementado en software y hardware (mayor velocidad). Utiliza bloques de 64 bits, claves de 48 bits (56 bits de clave de usuario) y realiza 16 iteraciones. Utiliza los principios de difusión y confusión. Existencia de claves débiles o semidébiles (generan las mismas claves o únicamente dos distintas). TEMA 2 Ideas clave

5 Tamaño de clave pequeño (vulnerable). Resuelto mediante triple DES que aplica el cifrado, descifrado y cifrado (en inglés EDE) con tres claves de 56 bits distintas elegidas por el usuario. Vulnerable a ataques de criptoanálisis diferencial (requiere grandes cantidades de texto escogido y su cifrado). Utilizado para información con caducidad a corto plazo. Algoritmo IDEA El algoritmo realiza 8 iteraciones donde cada bloque de 64 bits es dividido en 4 subbloques que reciben distinto tratamiento. Se requieren 52 subclaves internas calculadas a partir de una original de 128 bits mediante expansión y rotación. Características: Fácilmente implementable en software y hardware. Utiliza bloques de 64 bits, subclaves de 16 bits (128 bits la inicial) y realiza 8 iteraciones. Utiliza los principios de difusión y confusión. Seguridad demostrada mediante justificación matemática. Algoritmo RC5 Se trata de un algoritmo diseñado por Ronald Rivest, autor de numerosos algoritmos criptográficos como RSA, MD5 Características: Número de iteraciones, tamaño de bloque y longitud de clave variable (escogidas por el usuario). Realiza tres operaciones inversibles (suma módulo, XOR bit a bit y rotación a izquierda). Vulnerable debido a la debilidad de las claves generadas. Debilidades eliminadas en la siguiente versión del mismo RC6 (que fue uno de los candidatos finales a estándar de cifrado en los Estados Unidos). TEMA 2 Ideas clave

6 Algoritmo RC6 Se trata de uno de los algoritmos finalistas a estándar de cifrado estadounidense (junto con Rinjdael, twofish, MARS y SERPENT). Al igual que su antecesor, fue diseñado por Ron Rivest para mejorar los problemas detectados en RC5 y poder optar a estándar estadounidense de cifrado (ser de dominio público; ser algoritmo simétrico que soporta bloques de un mínimo de128 bits; claves de cifrado de 128, 196 y 256; y ser implementable tanto en software como en hardware). Al igual que RC5, su sucesor puede utilizar claves de tamaño variable y su mejora está basada, de manera sintética, en el entrelazado de dos funciones RC5 que evitan las debilidades encontradas en este último. Advance Encryptioin Standard (AES) Algoritmo definido como estándar para sustituir a DES. No es un algoritmo de tipo Feistel (su función de cifrado y descifrado son distintas) que utiliza mezcla lineal (desplazamiento de filas y mezclado de columnas), transformaciones no lineales (Scajas) y operaciones básicas (XOR). Características: Utiliza longitudes de clave y bloque variables a lo largo de las iteraciones (entre 128 y 256 bits). El número de iteraciones es variable y emplea funciones inversibles de transposición y sustitución. Fácilmente paralelizable (mayor eficiencia). El descifrado se realiza con las funciones inversas aplicadas en orden inverso al de cifrado. Robusto ante ataques exhaustivos, criptoanálisis línea y diferencial. No posee claves débiles ni semidébiles. TEMA 2 Ideas clave

7 2.3. Cifradores de flujo El cifrado de flujo de basa en la operación de unidades (símbolos individuales) del mensaje en claro junto con unidades de la clave para obtener elementos del criptograma. De esta forma un elemento del mensaje en claro, operado con un elemento de la clave, producirá un elemento del criptograma. El cifrador de flujo más utilizado, debido a sus propiedades y a optimización que permite tanto en software como en hardware es el cifrado denominado Vernam. Este cifrado de flujo opera mediante una operación de O-exclusivo (EXOR, ) un bit del mensaje y otro de la clave para obtener un bit del criptograma: M K = C A pesar de su simplicidad, el cifrado Vernam permite alcanzar el secreto perfecto cuando la clave utilizada es aleatoria y la longitud de esta iguala o supera la longitud del mensaje en claro. Estas condiciones, aparentemente sencillas, no son fáciles de conseguir; pues el hecho de que la clave sea realmente aleatoria precisa de un generador aleatorio robusto y, además, la necesidad de transmitir la clave aleatoria de cifrado (de longitud igual o superior al texto en claro) al otro interlocutor a través de un canal seguro. La dificultad de disponer de un canal seguro entre emisor y receptor de un mensaje (común a todos los cifradores simétricos) es, por lo tanto, un inconveniente importante para el cifrado de flujo, pues, si se dispone de un canal seguro para el intercambio de clave, quizás también se disponga de un canal seguro para el intercambio del propio mensaje en claro (que posee igual o menor longitud). A pesar de estas dificultades existen sistemas criptográficos basados en cifrado de flujo donde el nivel de seguridad debe ser máximo y se exige del intercambio de una clave aleatoria a través de un canal seguro. Esta clave (generalmente de gran longitud) se empleará para el intercambio de mensajes durante el tiempo posible hasta, agotada la clave intercambiada, será necesario volver a establecer un canal seguro para intercambiar una nueva clave. TEMA 2 Ideas clave

8 Otra solución también empleada en los criptosistemas de flujo es el empleo de generadores de clave. Estos sistemas permiten generar un clave pseudoaleatoria a partir de una semilla de corta longitud (que hace más fácil su intercambio a través de un canal seguro). Los generadores de clave, no permiten alcanzar el secreto perfecto antes comentado, pero permiten alcanzar un balance adecuado entre el nivel de seguridad y la gestión de las claves de cifrado Funciones resumen Funciones resumen Funciones unidireccionales destinadas a transformar unmensaje en otro tamaño fijo. Estas funciones realizan una aplicación unívoca entre un conjunto con todos los posibles mensajes del lenguaje en claro, a otro conjunto muy reducido con solo los mensajes de una determinada longitud fija. A la longitud de los mensajes imagen se le denomina el tamaño de la función resumen. Propiedades: La salida de la función resumen debe ser de longitud fija (en la actualidad es recomendable que sea mayor a 256 bits, aunque este parámetro depende del algoritmo de función resumen utilizado). No tiene que ser costoso computacionalmente obtener el resumen, a partir de un mensaje en claro. Tiene que ser computacionalmente intratable calcular el mensaje en claro a partir del resumen. Tiene que ser computacionalmente muy complicado (requerir tiempos de computación muy elevados) un obtener dos mensajes que produzcan el mismo resumen. Tiene que ser computacionalmente intratable encontrar dos mensajes aleatorios que produzcan el mismo resumen. TEMA 2 Ideas clave

9 Algoritmo MD5 Algoritmo SHA-1 La función utiliza bloques de 512 bits de entrada y produce una salida de 128 bits. Hace uso de 4 registros de 32 bits con valor inicial constante. Interpreta el mensaje como Little Endian. Utiliza bloques de 512 bits y produce una salida de 160 bits. Hace uso de 5 registros de 32 bits con valor inicial constante. Interpreta el mensaje como Big Endian. Seguridad Debido a que el conjunto de resúmenes que una función puede generar está limitado por la longitud fija de salida de dicho algoritmo y que el conjunto de mensajes de entrada es infinito, existirán por tanto mensajes distintos que produzcan los mismos resúmenes (de hecho, existirán infinitos mensajes que produzcan los mismos resúmenes). La fortaleza de una función resumen reside en menor medida en evitar colisiones (encontrar dos mensajes que produzcan un mismo resumen) y en mayor medida en evitar ataques de preimagen (calcular un mensaje que produzca el mismo resumen que otro texto escogido). Actualmente se han encontrado colisiones en MD4, MD5, SHa-0 y SHA-1 aunque no mediante ataques de pre-imagen. Para solucionar estas debilidades el algoritmo SHA dispone de versiones de 256 y 512 bits de longitud de resumen. Algoritmo SHA-512: o En base a las debilidades (tratadas anteriormente) por las que es posible encontrar colisiones en las funciones MD5 y SHA-1, ya no se recomienda el empleo de estas últimas sino de las versiones del algoritmo SHA de 256 y 512 bits. La ampliación del tamaño de los resúmenes desde 160 bits (en el caso de SHA-1) a 256 o 512 (preferiblemente esta última longitud) permite superar las debilidades encontradas y su empleo en protocolos de seguridad. TEMA 2 Ideas clave

10 Funciones MAC Funciones MAC Son funciones resumen que mediante el uso de una clave (compartida por emisor y receptor) aportan autenticación sobre el mensaje resumido. Tipos: Cifrado por bloques: El valor del resumen será el último bloque cifrado mediante un algoritmo en modo de operación CBC. HMAC: El valor del resumen será el resultado de una función resumen aplicada sobre el mensaje original concatenado con un conjunto de bits obtenidos a partir de la clave. Generadores de secuencia: El valor del resumen se obtiene del valor final de los registros de desplazamiento retroalimentado de un generador de secuencia pseudoaleatorio. TEMA 2 Ideas clave

11 Lo + recomendado Lecciones magistrales Algoritmos de criptografía simétrica En esta lección veremos los algoritmos más antiguos, los que en el fondo utilizan la misma clave o una clave similar para el cifrado o el descifrado, es decir, el conocimiento de una clave me da la información de la otra, estos son algoritmos se denominan algoritmos de criptografía simétrica. La clase magistral está disponible en el aula virtual. No dejes de leer Seguridad en redes telemáticas Carracedo Gallardo, J. (2004). Seguridad en redes telemáticas. Madrid: McGraw-Hill. Este libro realiza un repaso detallado sobre los algoritmos criptográficos que son empleados en la protección de las redes de ordenadores. En relación a este tema son interesantes los capítulos 3 y 4. TEMA 2 Lo + recomendado

12 No dejes de ver Gambling with Secrets (Encryption Machines) Se trata de un interesante vídeo que parte de la utilización de las máquinas de cifrado y que repasa conceptos relacionados con la generación pseudoaleatoria. El vídeo completo está disponible en el aula virtual o en la siguiente dirección web: Perfect Secrecy En el vídeo podemos ver el secreto perfecto, la pseudoaleatoriedad y la teoría de Shanon sobre criptosistemas perfectos mediante la elección aleatoria de las claves de cifrado. El vídeo completo está disponible en el aula virtual o en la siguiente dirección web: TEMA 2 Lo + recomendado

13 + Información A fondo Procedimientos de cifrado de flujo El trabajo de Amparo Fúster repasa las bases del cifrado de flujo y del secreto perfecto de Shanon, pero también avanza sobre los procedimientos más actuales sobre la generación de series cifrantes. El artículo está disponible en el aula virtual o en la siguiente dirección web: El proceso de elección del estándar AES En el siguiente artículo se repasa brevemente el proceso de elección del estándar de cifrado simétrico para los Estados Unidos de América. El artículo está disponible en el aula virtual o en la siguiente dirección web: Handbook of Applied Crpytography Menezes, A. J:, Van Oorschot, P. C. and Vanstone, S. A. (1996). Handbook of Applied Cryptography. CRC Press. Se trata de uno de los libros más importantes sobre el tema y es considerado por muchos, la mejor fuente a través de la cual acercarse a la criptografía Algunos capítulos están disponibles en el aula virtual o en la siguiente dirección web: TEMA 2 + Información

14 Webgrafía National Intitute of Standars and Technology Página web del Instituto Nacional estadounidense para Estándares y Tecnología. Dentro de esta web puede encontrarse información técnica detallada sobre los algoritmos criptográficos y sus procesos de verificación y estandarización. TEMA 2 + Información

15 Actividades Trabajo: Algoritmo de cifrado DES Suponiendo que la clave utilizada en el algoritmo DES es: Calcula la 1ª clave interna que genera el algoritmo para cifrar un texto en claro. Rellenar las tablas del Excel adjunto. Para realizar la entrega unicamente se subirá a la plataforma el documento Excel que encontrarás en el aula virtual relleno con los resultados obtenidos. TEMA 2 Actividades

16 Test 1. El algoritmo DES: A. Cifra bloques de 56 bits. B. Las claves internas tienen 32 bits de longitud. C. Está formado por 18 ciclos. D. Ninguna de las anteriores. 2. En el algoritmo DES las cajas S reciben: A. Cuatro bits de entrada y producen seis bits. B. Dos bits de entrada y producen cuatro bits. C. Seis bits de entrada y producen cuatro bits. D. Ninguna de las anteriores. 3. El triple DES sigue un esquema de: A. Cifrado Cifrado Cifrado. B. Descifrado Cifrado Descifrado. C. Cifrado Descifrado Cifrado. D. Descifrado Descifrado Descifrado. 4. El algoritmo DES y el algoritmo IDEA son idénticos en: A. El tamaño de los bloques de cifrado. B. En ambos casos se trata de cifrados producto. C. La clave de cifrado es la misma para cada bloque. D. Ninguna de las anteriores. 5. En una función resumen, una colisión es: A. Si para dos mensajes idénticos se encuentran dos resúmenes distintos. B. Si para dos mensajes idénticos se encuentran dos resúmenes idénticos. C. Si para dos mensajes distintos se encuentran dos resúmenes distintos. D. Si para dos mensajes distintos se encuentran dos resúmenes idénticos. TEMA 2 Test

17 6. Una función resumen será más segura si: A. Es absolutamente imposible encontrar colisiones. B. El número de posibles resúmenes es mayor. C. El número de posibles resúmenes es menor. D. Ninguna de las anteriores. 7. La función resumen SHA-1: A. Tiene una longitud para el resumen de 164 bits. B. Tiene una longitud para el mensaje origen de 164 bits. C. Fue diseñada por Ron Rivest. D. Ninguna de las anteriores. 8. El algoritmo AES: A. El tamaño de la clave de cifrado es fijo. B. El tamaño de la clave condiciona el tamaño del texto cifrado. C. El tamaño de la clave de cifrado es variable y no condiciona el tamaño del texto. D. Ninguna de las anteriores. 9. En el algoritmo AES: A. Es el sustituto del Rijndael como estándar estadounidense de cifrado. B. Es un algoritmo de cifrado simétrico. C. Las respuestas A y B son correctas. D. Ninguna de las anteriores. 10. Supón un cifrado de flujo tipo VERNAM: A. La clave de cifrado tiene una longitud fija. B. La clave de cifrado tiene una longitud igual o menor al texto en claro. C. Si la clave de cifrado es aleatoria permite conseguir el secreto perfecto. D. Ninguna de las anteriores. TEMA 2 Test