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Historia de la criptografía

La criptografía, el uso de códigos y cifrados, comenzó hace miles de años. [ 1 ] Hasta hace pocas décadas, se trataba de lo que podría llamarse criptografía clásica , es decir, ...

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La criptografía, el uso de códigos y cifrados, comenzó hace miles de años. [ 1 ] Hasta hace pocas décadas, se trataba de lo que podría llamarse criptografía clásica , es decir, métodos de cifrado que utilizaban lápiz y papel, o quizás simples dispositivos mecánicos. A principios del siglo XX, la invención de complejas máquinas mecánicas y electromecánicas, como la máquina de rotores Enigma , proporcionó medios de cifrado más sofisticados y eficientes; y la posterior introducción de la electrónica y la informática ha permitido esquemas elaborados de aún mayor complejidad, la mayoría de los cuales son completamente inadecuados para el lápiz y el papel.

El desarrollo de la criptografía ha ido de la mano del desarrollo del criptoanálisis : el descifrado de códigos y cifrados . El descubrimiento y la aplicación, en sus inicios, del análisis de frecuencias a la lectura de comunicaciones cifradas ha alterado, en ocasiones, el curso de la historia. Así, el Telegrama Zimmermann desencadenó la entrada de Estados Unidos en la Primera Guerra Mundial; y la lectura por parte de los Aliados de los cifrados de la Alemania nazi acortó la Segunda Guerra Mundial, según algunas estimaciones, hasta en dos años.

Hasta la década de 1960, la criptografía segura era en gran medida dominio público. Desde entonces, dos acontecimientos la han puesto plenamente al alcance de todos: la creación de un estándar de cifrado público ( DES ) y la invención de la criptografía de clave pública .

Antigüedad

Una escítala, un dispositivo primitivo para el cifrado.

El uso más antiguo conocido de la criptografía se encuentra en jeroglíficos no estándar tallados en la pared de una tumba del Imperio Antiguo de Egipto, alrededor del año 1900 a. C. [ 1 ] Sin embargo, no se cree que estos fueran intentos serios de comunicaciones secretas, sino más bien intentos de misterio, intriga o incluso entretenimiento para los observadores letrados. [ 2 ]

Algunas tablillas de arcilla de Mesopotamia, algo posteriores, están claramente destinadas a proteger información; una fechada cerca del 1500 a. C. contenía encriptación la receta de un artesano para un esmalte de cerámica, presumiblemente de gran valor comercial. [ 3 ] [ 4 ] Además, los eruditos hebreos utilizaron cifrados de sustitución monoalfabéticos simples (como el cifrado Atbash ) a partir de aproximadamente el 600 al 500 a. C. [ 5 ] [ 6 ]

El Kama Sutra , cuya composición se estima en la India entre el 400 a. C. y el 300 d. C., [ 7 ] enumera 64 artes recomendadas para una mejor calidad de vida, incluyendo una referencia a Mlecchita vikalpa , "el arte de comprender la escritura en clave y la escritura de palabras de una manera peculiar". Esto se recomendaba para la comunicación privada entre amantes. [ 8 ] [ 9 ] Dado que el Kama Sutra solo contiene una referencia general en una lista y no una descripción, no está claro a qué se refería exactamente en ese momento. Comentarios posteriores sobre el Kama Sutra ofrecen instrucciones detalladas para cifrados de sustitución, pero estos fueron compuestos entre los siglos X y XIII d. C. [ 10 ] Partes de los Papiros Mágicos Griegos Demóticos Egipcios fueron escritas en una escritura cifrada . [ 11 ]

Se dice que los antiguos griegos conocían los cifrados. [ 12 ] El cifrado de transposición de la escítala fue utilizado por el ejército espartano , [ 6 ] pero no se sabe con certeza si la escítala se usaba para encriptación, autenticación o para evitar malos presagios en el habla. [ 13 ] [ 14 ] Heródoto nos habla [ 15 ] de mensajes secretos físicamente ocultos bajo cera en tablillas de madera o como un tatuaje en la cabeza de un esclavo oculto por el cabello que había vuelto a crecer, aunque estos no son propiamente ejemplos de criptografía propiamente dicha, ya que el mensaje, una vez conocido, es directamente legible; esto se conoce como esteganografía . Otro método griego fue desarrollado por Polibio (ahora llamado el " Cuadrado de Polibio "). [ 6 ] Los romanos también conocían la criptografía. Por ejemplo, el cifrado César de Julio César y sus variaciones, utilizado para la comunicación clandestina. [ 16 ]

Criptografía medieval

La primera página del manuscrito de al-Kindi , Sobre el descifrado de mensajes criptográficos , que contiene las primeras descripciones de criptoanálisis y análisis de frecuencia.

David Kahn señala en The Codebreakers que la criptología moderna se originó entre los árabes , los primeros en documentar sistemáticamente los métodos criptoanalíticos. [ 17 ] Al-Khalil (717–786) escribió el Libro de los Mensajes Criptográficos , que contiene el primer uso de permutaciones y combinaciones para enumerar todas las posibles palabras árabes con y sin vocales. [ 18 ]

La invención de la técnica de análisis de frecuencia para romper cifrados de sustitución monoalfabéticos , por Al-Kindi , un matemático árabe , [ 19 ] [ 20 ] alrededor del año 800 d. C., demostró ser el avance criptoanalítico más significativo hasta la Segunda Guerra Mundial. Al-Kindi escribió un libro sobre criptografía titulado Risalah fi Istikhraj al-Mu'amma ( Manuscrito para el descifrado de mensajes criptográficos ), en el que describió las primeras técnicas criptoanalíticas, incluyendo algunas para cifrados polialfabéticos , clasificación de cifrados, fonética y sintaxis árabes y, lo más importante, dio las primeras descripciones sobre análisis de frecuencia. [ 21 ] También abordó métodos de cifrado, criptoanálisis de ciertos cifrados y análisis estadístico de letras y combinaciones de letras en árabe. [ 22 ] [ 23 ] Una contribución importante de Ibn Adlan (1187–1268) fue sobre el tamaño de la muestra para el uso del análisis de frecuencia. [ 18 ]

En la Inglaterra altomedieval, entre los años 800 y 1100, los escribas utilizaban con frecuencia cifrados por sustitución como una forma ingeniosa y divertida de cifrar notas, soluciones a acertijos y colofones. Estos cifrados suelen ser bastante sencillos, pero a veces se desvían de un patrón común, lo que aumenta su complejidad y, posiblemente, también su sofisticación. [ 24 ] Este período fue testigo de una experimentación criptográfica vital y significativa en Occidente.

Ahmad al-Qalqashandi (1355-1418 d. C.) escribió el Subh al-a 'sha , una enciclopedia de 14 volúmenes que incluía una sección sobre criptología. Esta información se atribuyó a Ibn al-Durayhim , quien vivió entre 1312 y 1361 d. C., pero cuyos escritos sobre criptografía se han perdido. La lista de cifrados en esta obra incluía tanto la sustitución como la transposición , y por primera vez, un cifrado polialfabético [ 25 ] con múltiples sustituciones para cada letra del texto plano (posteriormente llamado sustitución homofónica). También se le atribuye a Ibn al-Durayhim una exposición y un ejemplo práctico de criptoanálisis, incluyendo el uso de tablas de frecuencias de letras y conjuntos de letras que no pueden aparecer juntas en una misma palabra.

El primer ejemplo del cifrado por sustitución homofónica es el utilizado por el duque de Mantua a principios del siglo XV. [ 26 ] El cifrado homofónico reemplaza cada letra con múltiples símbolos según su frecuencia. Este cifrado se adelantó a su tiempo porque combina características monoalfabéticas y polialfabéticas.

Esencialmente, todos los cifrados permanecieron vulnerables a la técnica criptoanalítica del análisis de frecuencia hasta el desarrollo del cifrado polialfabético, y muchos lo siguieron siendo después. El cifrado polialfabético fue explicado con mayor claridad por Leon Battista Alberti alrededor del año 1467 d. C., por lo que fue llamado el "padre de la criptología occidental". [ 1 ] Johannes Trithemius , en su obra Poligraphia , inventó la tabula recta , un componente crítico del cifrado de Vigenère. Trithemius también escribió la Steganographia . Giovan Battista Bellaso, en 1553, describió por primera vez el cifrado que se conocería en el siglo XIX como el cifrado de Vigenère , atribuido erróneamente a Blaise de Vigenère . [ 27 ] En Europa, la criptografía se volvió (secretamente) más importante como consecuencia de la competencia política y la revolución religiosa. Por ejemplo, en Europa, durante y después del Renacimiento , los ciudadanos de los diversos estados italianos —incluidos los Estados Pontificios y la Iglesia Católica Romana— fueron responsables de la rápida proliferación de técnicas criptográficas, pocas de las cuales reflejan la comprensión (o incluso el conocimiento) del avance polialfabético de Alberti. Los "cifrados avanzados", incluso después de Alberti, no eran tan avanzados como afirmaban sus inventores, desarrolladores y usuarios (y probablemente incluso como ellos mismos creían). Con frecuencia, eran descifrados. Este optimismo excesivo puede ser inherente a la criptografía, ya que entonces —y sigue siendo hoy— resulta difícil, en principio, saber cuán vulnerable es el propio sistema. Ante la falta de conocimiento, las conjeturas y las esperanzas son, como es de esperar, comunes.

La criptografía, el criptoanálisis y la traición de agentes secretos/mensajeros fueron elementos clave en la Conspiración de Babington durante el reinado de la reina Isabel I , que condujo a la ejecución de María Estuardo, reina de Escocia . Robert Hooke sugirió en el capítulo «Del libro de los espíritus del Dr. Dee» que John Dee utilizó la esteganografía tritemiana para ocultar su comunicación con la reina Isabel I. [ 28 ]

El criptógrafo jefe del rey Luis XIV de Francia fue Antoine Rossignol ; él y su familia crearon lo que se conoce como el Gran Cifrado porque permaneció sin resolver desde su uso inicial hasta 1890, cuando el criptoanalista militar francés Étienne Bazeries lo resolvió. [ 29 ] Un mensaje cifrado de la época del Hombre de la Máscara de Hierro (descifrado justo antes de 1900 por Étienne Bazeries ) ha arrojado algo de luz, lamentablemente no definitiva, sobre la identidad de ese prisionero real, aunque legendario y desafortunado.

Fuera de Europa, tras el fin de la Edad de Oro del Islam a manos de los mongoles , la criptografía permaneció relativamente poco desarrollada. En Japón, al parecer, no se empezó a utilizar hasta alrededor de 1510, y las técnicas avanzadas no se conocieron hasta después de la apertura del país a Occidente, a partir de la década de 1860.

Criptografía desde 1800 hasta la Primera Guerra Mundial

Aunque la criptografía tiene una larga y compleja historia, no fue hasta el siglo XIX que desarrolló algo más que enfoques ad hoc para el cifrado o el criptoanálisis (la ciencia de encontrar debilidades en los sistemas criptográficos). Ejemplos de esto último incluyen el trabajo de Charles Babbage durante la Guerra de Crimea sobre el criptoanálisis matemático de cifrados polialfabéticos , que fue desarrollado y publicado posteriormente por el prusiano Friedrich Kasiski . La comprensión de la criptografía en ese momento generalmente consistía en reglas empíricas aprendidas con mucho esfuerzo; véanse, por ejemplo, los escritos criptográficos de Auguste Kerckhoffs a finales del siglo XIX. Edgar Allan Poe utilizó métodos sistemáticos para resolver cifrados en la década de 1840. En particular, publicó un anuncio de sus habilidades en el periódico de Filadelfia Alexander's Weekly (Express) Messenger , invitando a enviar cifrados, la mayoría de los cuales procedió a resolver. Su éxito causó revuelo público durante algunos meses. [ 30 ] Más tarde escribió un ensayo sobre métodos de criptografía que resultó útil como introducción para los criptoanalistas británicos novatos que intentaban descifrar códigos y cifrados alemanes durante la Primera Guerra Mundial, y un famoso cuento, El escarabajo del oro , en el que el criptoanálisis era un elemento destacado.

La criptografía, y su mal uso, estuvieron implicadas en la ejecución de Mata Hari y en la condena y encarcelamiento de Dreyfus , ambos a principios del siglo XX. Los criptógrafos también participaron en la revelación de las maquinaciones que condujeron al caso Dreyfus; Mata Hari, en cambio, fue fusilada.

Durante la Primera Guerra Mundial, la Sala 40 del Almirantazgo descifró los códigos navales alemanes y desempeñó un papel crucial en varios enfrentamientos navales, especialmente en la detección de importantes incursiones alemanas en el Mar del Norte que dieron lugar a las batallas de Dogger Bank y Jutlandia , cuando la flota británica fue enviada para interceptarlas. Sin embargo, su contribución más importante fue probablemente el descifrado del Telegrama Zimmermann , un cable del Ministerio de Asuntos Exteriores alemán enviado vía Washington a su embajador Heinrich von Eckardt en México, que fue determinante para la entrada de Estados Unidos en la guerra.

En 1917, Gilbert Vernam propuso un cifrado para teletipo en el que una clave previamente preparada, almacenada en una cinta de papel, se combina carácter por carácter con el mensaje en texto plano para producir el texto cifrado. Esto condujo al desarrollo de dispositivos electromecánicos como máquinas de cifrado y al único cifrado inquebrantable: el cifrado de un solo uso .

Durante la década de 1920, oficiales navales polacos ayudaron al ejército japonés en el desarrollo de códigos y cifrados.

Los métodos matemáticos proliferaron en el período anterior a la Segunda Guerra Mundial (en particular, en la aplicación de técnicas estadísticas al criptoanálisis y al desarrollo de cifrados por parte de William F. Friedman y en el descubrimiento inicial por parte de Marian Rejewski de la versión del sistema Enigma del ejército alemán en 1932).

Criptografía de la Segunda Guerra Mundial

La máquina Enigma fue ampliamente utilizada por la Alemania nazi; su criptoanálisis por parte de los Aliados proporcionó información Ultra vital .

Para la Segunda Guerra Mundial, las máquinas de cifrado mecánicas y electromecánicas se utilizaban ampliamente, aunque, donde resultaban poco prácticas, se seguían empleando libros de códigos y sistemas manuales. Se lograron grandes avances tanto en el diseño de cifrados como en el criptoanálisis , todo ello en secreto. La información sobre este periodo ha comenzado a desclasificarse a medida que finaliza el periodo oficial de secreto británico de 50 años, se abren paulatinamente los archivos estadounidenses y aparecen diversas memorias y artículos.

Alemania

Los alemanes hicieron un uso intensivo, en varias variantes, de una máquina de rotor electromecánica conocida como Enigma . [ 31 ] El matemático Marian Rejewski , en la Oficina de Cifrado de Polonia , dedujo en diciembre de 1932 la estructura detallada de la Enigma del Ejército Alemán, utilizando matemáticas y documentación limitada proporcionada por el capitán Gustave Bertrand de la inteligencia militar francesa , obtenida de un empleado alemán. Esto "fue uno de los grandes logros de la criptología", según el historiador David Kahn . [ 32 ] Rejewski y sus colegas matemáticos de la Oficina de Cifrado, Jerzy Różycki y Henryk Zygalski , continuaron leyendo Enigma y manteniéndose al día con la evolución de los componentes y procedimientos de cifrado de la máquina del Ejército Alemán durante algún tiempo. A medida que los recursos de los polacos se veían mermados por los cambios introducidos por los alemanes, y ante la inminencia de la guerra, la Oficina de Cifrado , siguiendo instrucciones del Estado Mayor polaco , inició el 25 de julio de 1939, en Varsovia , a representantes de los servicios de inteligencia franceses y británicos en los secretos del descifrado de Enigma.

Poco después de la invasión de Polonia por Alemania el 1 de septiembre de 1939, personal clave de la Oficina de Cifrado fue evacuado hacia el sureste; el 17 de septiembre, cuando la Unión Soviética atacó Polonia desde el este, cruzaron a Rumania . Desde allí llegaron a París, Francia; en PC Bruno , cerca de París, continuaron trabajando para descifrar Enigma, colaborando con criptólogos británicos en Bletchley Park mientras los británicos avanzaban rápidamente en su trabajo de descifrado de Enigma. Con el tiempo, los criptógrafos británicos , entre cuyas filas se encontraban muchos maestros de ajedrez y profesores de matemáticas como Gordon Welchman , Max Newman y Alan Turing (el fundador conceptual de la computación moderna ) , lograron avances sustanciales en la escala y la tecnología del descifrado de Enigma .  

Durante la Segunda Guerra Mundial, el descifrado de códigos alemán también tuvo cierto éxito, sobre todo al descifrar el Cifrado Naval n.º 3. Esto les permitió rastrear y hundir convoyes en el Atlántico. Fue únicamente la inteligencia de Ultra la que finalmente convenció al Almirantazgo de cambiar sus códigos en junio de 1943. Esto resulta sorprendente dado el éxito de los descifradores de códigos británicos de la Sala 40 en la guerra mundial anterior.

Al final de la guerra, el 19 de abril de 1945, se les dijo a los más altos funcionarios civiles y militares de Gran Bretaña que nunca podrían revelar que el cifrado alemán Enigma había sido descifrado porque eso le daría al enemigo derrotado la oportunidad de decir que "no fueron derrotados de manera justa y equitativa". [ 33 ]

El ejército alemán también desplegó varios cifrados de flujo para teletipos . Bletchley Park los denominó cifrados Fish ; Max Newman y sus colegas diseñaron y desplegaron el Heath Robinson y, posteriormente, el Colossus , el primer ordenador electrónico digital programable del mundo , para facilitar el criptoanálisis. El Ministerio de Asuntos Exteriores alemán comenzó a utilizar la libreta de un solo uso en 1919; parte de este tráfico se descifró durante la Segunda Guerra Mundial, en parte gracias a la recuperación de material clave en Sudamérica que un mensajero alemán había desechado sin el debido cuidado.

El Schlüsselgerät 41 se desarrolló al final de la guerra como un sustituto más seguro para Enigma, pero su uso fue limitado.

Japón

En 1940, antes del ataque a Pearl Harbor, el SIS , un grupo del Ejército estadounidense , logró descifrar el sistema de cifrado diplomático japonés de máxima seguridad (una máquina electromecánica de conmutación por pasos denominada Purple por los estadounidenses). La máquina Purple, de desarrollo local, sustituyó a la anterior máquina "Red" utilizada por el Ministerio de Asuntos Exteriores japonés, así como a una máquina relacionada, la M-1, empleada por los agregados navales, que había sido descifrada por Agnes Driscoll , de la Armada estadounidense . Todos los sistemas de cifrado japoneses fueron descifrados, en mayor o menor medida, por los Aliados.

La Armada y el Ejército japoneses utilizaban principalmente sistemas de libros de códigos, a los que posteriormente añadieron un sistema numérico aditivo. Criptógrafos de la Armada estadounidense (con la colaboración de criptógrafos británicos y holandeses a partir de 1940) lograron descifrar varios sistemas criptográficos de la Armada japonesa . El descifrado de uno de ellos, el JN-25 , fue clave para la victoria estadounidense en la Batalla de Midway y propició la publicación de este hecho en el Chicago Tribune poco después de la batalla, aunque los japoneses parecieron ignorarlo, ya que continuaron utilizando el sistema JN-25.

Aliados

Los estadounidenses se referían a la información obtenida mediante criptoanálisis, especialmente la proveniente de la máquina Purple, como « Magia ». Los británicos finalmente optaron por « Ultra » para la información obtenida mediante criptoanálisis, en particular la proveniente del tráfico de mensajes protegido por las distintas máquinas Enigma. Un término británico anterior para Ultra había sido «Boniface», en un intento de sugerir que, en caso de ser traicionada, podría tener un agente individual como fuente.

SIGABA se describe en la patente estadounidense 6,175,625 , presentada en 1944 pero no concedida hasta 2001.

Las máquinas de cifrado aliadas utilizadas en la Segunda Guerra Mundial incluían la TypeX británica y la SIGABA estadounidense ; ambas eran diseños de rotor electromecánico similares en espíritu a la Enigma, aunque con mejoras importantes. No se tiene constancia de que nadie las haya descifrado durante la guerra. Los polacos utilizaron la máquina Lacida , pero se descubrió que su seguridad era menor de lo previsto (por criptógrafos del ejército polaco en el Reino Unido), y se suspendió su uso. Las tropas estadounidenses en el frente utilizaron la M-209 y las máquinas de la familia M-94, aún menos seguras . Los agentes del SOE británico inicialmente utilizaron "cifrados de poemas" (poemas memorizados eran las claves de cifrado/descifrado), pero más adelante en la guerra, comenzaron a cambiar a libretas de un solo uso .

El cifrado VIC (utilizado al menos hasta 1957 en relación con la red de espionaje de Rudolf Abel en Nueva York) era un cifrado manual muy complejo, y se afirma que es el más complicado conocido utilizado por los soviéticos, según David Kahn en Kahn on Codes . Para el descifrado de cifrados soviéticos (en particular cuando se reutilizaban claves de un solo uso ), véase el proyecto Venona .

El papel de la mujer

El Reino Unido y Estados Unidos emplearon a un gran número de mujeres en sus operaciones de descifrado de códigos, con cerca de 7000 reportando a Bletchley Park [ 34 ] y 11 000 a las operaciones separadas del Ejército y la Armada de EE. UU., alrededor de Washington, D. C. [ 35 ] . Por tradición en Japón y por la doctrina nazi en Alemania, las mujeres fueron excluidas del trabajo bélico, al menos hasta finales de la guerra. Incluso después de que se rompieran los sistemas de cifrado, se necesitaba una gran cantidad de trabajo para responder a los cambios realizados, recuperar las configuraciones de clave diarias para múltiples redes e interceptar, procesar, traducir, priorizar y analizar el enorme volumen de mensajes enemigos generados en un conflicto global. Algunas mujeres, incluidas Elizebeth Smith Friedman y Agnes Meyer Driscoll , habían contribuido significativamente al descifrado de códigos estadounidense en la década de 1930 y la Armada y el Ejército comenzaron a reclutar activamente a las mejores graduadas de universidades femeninas poco antes del ataque a Pearl Harbor. Liza Mundy sostiene que esta disparidad en la utilización del talento de las mujeres entre los Aliados y el Eje marcó una diferencia estratégica en la guerra. [ 35 ] : pág. 29

Criptografía moderna

El cifrado moderno se logra mediante algoritmos que utilizan una clave para cifrar y descifrar la información. Estas claves convierten los mensajes y datos en un texto ilegible mediante el cifrado y luego los devuelven a su forma original mediante el descifrado. En general, cuanto más larga sea la clave, más difícil será descifrarla. Esto se debe a que descifrar un mensaje cifrado por fuerza bruta requeriría que el atacante probara todas las claves posibles. Para poner esto en contexto, cada unidad binaria de información, o bit, tiene un valor de 0 o 1. Una clave de 8 bits tendría entonces 2⁵⁶ o 2⁸ claves posibles. Una clave de 56 bits tendría 2⁵⁶, o 72 cuatrillones, de claves posibles para intentar descifrar el mensaje. Con la tecnología moderna, los cifrados que utilizan claves de estas longitudes son cada vez más fáciles de descifrar. DES, un cifrado aprobado por el gobierno estadounidense en sus inicios, tiene una longitud de clave efectiva de 56 bits, y se han roto mensajes de prueba que utilizan este cifrado mediante la búsqueda de claves por fuerza bruta. Sin embargo, a medida que avanza la tecnología, también lo hace la calidad del cifrado. Desde la Segunda Guerra Mundial, uno de los avances más notables en el estudio de la criptografía es la introducción de los cifrados de clave asimétrica (a veces denominados cifrados de clave pública). Estos son algoritmos que utilizan dos claves matemáticamente relacionadas para cifrar el mismo mensaje. Algunos de estos algoritmos permiten la publicación de una de las claves, debido a la extrema dificultad de determinar una clave simplemente conociendo la otra. [ 36 ]

A partir de 1990, el uso de Internet con fines comerciales y la introducción de transacciones comerciales a través de Internet exigieron un estándar generalizado para el cifrado. Antes de la introducción del Estándar de Cifrado Avanzado (AES), la información enviada por Internet, como los datos financieros, se cifraba, si acaso, utilizando principalmente el Estándar de Cifrado de Datos (DES). Este estándar había sido aprobado por la NBS (una agencia del gobierno estadounidense) por su seguridad, tras una convocatoria pública y un concurso entre candidatos para dicho algoritmo de cifrado. DES fue aprobado por un corto período, pero su uso se extendió debido a complejas disputas sobre el uso público de un cifrado de alta calidad. Finalmente, DES fue reemplazado por el AES tras otro concurso público organizado por la agencia sucesora de la NBS, el NIST . Entre finales de la década de 1990 y principios de la de 2000, el uso de algoritmos de clave pública se convirtió en un enfoque más común para el cifrado, y pronto una combinación de ambos esquemas se convirtió en la forma más aceptada para las operaciones de comercio electrónico. Además, la creación de un nuevo protocolo conocido como Secure Socket Layer (SSL) allanó el camino para las transacciones en línea. Transacciones que iban desde la compra de bienes hasta el pago de facturas y la banca en línea utilizaban SSL. Asimismo, a medida que las conexiones inalámbricas a Internet se hicieron más comunes en los hogares, aumentó la necesidad de cifrado, ya que se requería un nivel de seguridad en estas situaciones cotidianas. [ 37 ]

Claude Shannon

Claude E. Shannon desempeñó un papel fundamental en el desarrollo inicial de la criptografía matemática. Shannon trabajó durante varios años en los Laboratorios Bell, donde escribió un artículo titulado "Una teoría matemática de la criptografía". Este artículo, escrito en 1945, se publicó finalmente en el Bell System Technical Journal en 1949. [ 38 ] Se acepta comúnmente que este trabajo fue el punto de partida para el desarrollo de la criptografía moderna. Durante la guerra, Shannon se inspiró para abordar "[l]os problemas de la criptografía [porque] los sistemas de seguridad ofrecen una aplicación interesante de la teoría de la comunicación". Shannon identificó los dos objetivos principales de la criptografía: la seguridad y la autenticidad. Su enfoque se centró en explorar la seguridad, y treinta y cinco años después, G. J. Simmons abordaría la cuestión de la autenticidad. Shannon escribió otro artículo titulado "Una teoría matemática de la comunicación", que destaca uno de los aspectos más significativos de su trabajo: la transición de la criptografía del arte a la ciencia. [ 39 ]

En sus obras, Shannon describió dos tipos básicos de sistemas de seguridad. El primero son aquellos diseñados para proteger contra hackers y atacantes con recursos ilimitados para descifrar un mensaje (seguridad teórica, ahora seguridad incondicional), y el segundo son aquellos diseñados para proteger contra hackers y ataques con recursos limitados para descifrar un mensaje (seguridad práctica, ahora seguridad computacional). La mayor parte del trabajo de Shannon se centró en la seguridad teórica; en ella, introdujo una definición de la "irrompibilidad" de un cifrado. Si un cifrado se consideraba "irrompible", se le atribuía "seguridad perfecta". Para demostrar la "seguridad perfecta", Shannon determinó que esta solo podía obtenerse con una clave secreta cuya longitud, expresada en dígitos binarios, fuera mayor o igual al número de bits de la información que se cifraba. Además, Shannon desarrolló la "distancia de unicidad", definida como la "cantidad de texto plano que... determina la clave secreta". [ 39 ]

El trabajo de Shannon influyó en la investigación criptográfica posterior en la década de 1970, ya que los desarrolladores de la criptografía de clave pública, M. E. Hellman y W. Diffie, citaron la investigación de Shannon como una influencia fundamental. Su trabajo también tuvo un impacto en los diseños modernos de cifrados de clave secreta. Al final del trabajo de Shannon en criptografía, el progreso se ralentizó hasta que Hellman y Diffie presentaron su artículo sobre "criptografía de clave pública". [ 39 ]

Un estándar de cifrado

A mediados de la década de 1970 se produjeron dos avances públicos importantes (es decir, no secretos). El primero fue la publicación del borrador del Estándar de Cifrado de Datos (DES ) en el Registro Federal de los Estados Unidos el 17 de marzo de 1975. El cifrado DES propuesto fue presentado por un grupo de investigación de IBM , a invitación de la Oficina Nacional de Estándares (actualmente NIST ), con el objetivo de desarrollar sistemas de comunicación electrónica seguros para empresas como bancos y otras grandes organizaciones financieras. Tras recibir asesoramiento y realizar modificaciones por parte de la NSA , que actuó discretamente, fue adoptado y publicado como una publicación del Estándar Federal de Procesamiento de Información en 1977 (actualmente FIPS 46-3 ). DES fue el primer cifrado de acceso público que recibió la aprobación de una agencia nacional como la NSA. La publicación de su especificación por parte de la NBS impulsó un gran interés público y académico en la criptografía.

El antiguo DES fue reemplazado oficialmente por el Estándar de Cifrado Avanzado (AES) en 2001, cuando el NIST anunció FIPS 197. Tras un concurso abierto, el NIST seleccionó Rijndael , presentado por dos criptógrafos belgas, como el AES. DES, y sus variantes más seguras (como Triple DES ), todavía se utilizan hoy en día, habiéndose incorporado a muchos estándares nacionales y de organizaciones. Sin embargo, se ha demostrado que su clave de 56 bits es insuficiente para protegerse contra ataques de fuerza bruta (un ataque de este tipo, llevado a cabo por el grupo de derechos civiles cibernéticos Electronic Frontier Foundation en 1997, tuvo éxito en 56 horas. [ 40 ] ) Como resultado, el uso del cifrado DES puro es ahora, sin duda, inseguro para su uso en nuevos diseños de criptosistemas, y los mensajes protegidos por criptosistemas antiguos que utilizan DES, y de hecho todos los mensajes enviados desde 1976 utilizando DES, también están en riesgo. Independientemente de la calidad intrínseca de DES, algunos consideraban que el tamaño de la clave DES (56 bits) era demasiado pequeño incluso en 1976, quizás el caso más conocido fue el de Whitfield Diffie . Existía la sospecha de que las organizaciones gubernamentales ya entonces contaban con la capacidad informática suficiente para descifrar los mensajes DES; es evidente que otros han alcanzado dicha capacidad.

Clave pública

El segundo avance, en 1976, fue quizás aún más importante, ya que cambió radicalmente la forma en que podrían funcionar los criptosistemas. Se trató de la publicación del artículo "Nuevas direcciones en criptografía" de Whitfield Diffie y Martin Hellman . [ 41 ] Introdujo un método radicalmente nuevo de distribución de claves criptográficas, que contribuyó en gran medida a resolver uno de los problemas fundamentales de la criptografía, la distribución de claves, y que se conoce como intercambio de claves Diffie-Hellman . El artículo también estimuló el desarrollo público casi inmediato de una nueva clase de algoritmos de cifrado, los algoritmos de clave asimétrica .

Antes de ese momento, todos los algoritmos de cifrado modernos útiles eran algoritmos de clave simétrica , en los que tanto el remitente como el receptor utilizan la misma clave criptográfica con el algoritmo subyacente, y ambos deben mantenerla en secreto. Todas las máquinas electromecánicas utilizadas en la Segunda Guerra Mundial pertenecían a esta clase lógica, al igual que los cifrados César y Atbash y, en esencia, todos los sistemas de cifrado a lo largo de la historia. La «clave» de un código es, por supuesto, el libro de códigos, que también debe distribuirse y mantenerse en secreto, por lo que comparte la mayoría de los mismos problemas en la práctica.

Por necesidad, la clave en todo sistema de este tipo debía intercambiarse entre las partes comunicantes de forma segura antes de cualquier uso del sistema (el término habitual es «a través de un canal seguro »), como por ejemplo mediante un mensajero de confianza con un maletín esposado a la muñeca, contacto cara a cara o una paloma mensajera. Este requisito nunca es trivial y se vuelve rápidamente inmanejable a medida que aumenta el número de participantes, cuando no se dispone de canales seguros para el intercambio de claves o cuando, como es práctica criptográfica sensata, las claves se cambian con frecuencia. En particular, si se pretende que los mensajes sean seguros frente a otros usuarios, se requiere una clave independiente para cada posible par de usuarios. Un sistema de este tipo se conoce como criptosistema de clave secreta o de clave simétrica . El intercambio de claves DH (y sus posteriores mejoras y variantes) hizo que el funcionamiento de estos sistemas fuera mucho más sencillo y seguro que nunca antes en la historia.

En cambio, el cifrado de clave asimétrica utiliza un par de claves relacionadas matemáticamente, cada una de las cuales descifra el cifrado realizado con la otra. Algunos de estos algoritmos, aunque no todos, poseen la propiedad adicional de que una de las claves del par no puede deducirse de la otra mediante ningún método conocido, salvo el de ensayo y error. Un algoritmo de este tipo se conoce como sistema de clave pública o asimétrica . Con este algoritmo, solo se necesita un par de claves por usuario. Al designar una clave del par como privada (siempre secreta) y la otra como pública (a menudo ampliamente disponible), no se requiere un canal seguro para el intercambio de claves. Mientras la clave privada permanezca secreta, la clave pública puede ser ampliamente conocida durante mucho tiempo sin comprometer la seguridad, lo que permite reutilizar el mismo par de claves indefinidamente.

Para que dos usuarios de un algoritmo de clave asimétrica se comuniquen de forma segura a través de un canal inseguro, cada usuario deberá conocer sus claves pública y privada, así como la clave pública del otro usuario. Consideremos este escenario básico: Alice y Bob tienen cada uno un par de claves que han estado utilizando durante años con muchos otros usuarios. Al inicio de su mensaje, intercambian claves públicas sin cifrar a través de una línea insegura. Alice cifra un mensaje con su clave privada y luego vuelve a cifrar el resultado con la clave pública de Bob. El mensaje doblemente cifrado se envía como datos digitales a través de un cable de Alice a Bob. Bob recibe el flujo de bits y lo descifra con su clave privada, y luego descifra ese flujo de bits con la clave pública de Alice. Si el resultado final es reconocible como un mensaje, Bob puede estar seguro de que el mensaje proviene de alguien que conoce la clave privada de Alice (presumiblemente ella misma si ha sido cuidadosa con su clave privada), y que cualquiera que intercepte la comunicación necesitará la clave privada de Bob para comprender el mensaje.

Los algoritmos asimétricos basan su eficacia en una clase de problemas matemáticos denominados funciones unidireccionales, que requieren relativamente poca potencia computacional para su ejecución, pero una enorme potencia para su reversión, si es que esta es posible. Un ejemplo clásico de función unidireccional es la multiplicación de números primos muy grandes. Multiplicar dos primos grandes es bastante rápido, pero encontrar los factores del producto de dos primos grandes es muy difícil. Debido a las características matemáticas de las funciones unidireccionales, la mayoría de las claves posibles no son adecuadas como claves criptográficas; solo una pequeña fracción de las claves posibles de una longitud dada son apropiadas, por lo que los algoritmos asimétricos requieren claves muy largas para alcanzar el mismo nivel de seguridad que proporcionan las claves simétricas relativamente más cortas. La necesidad de generar los pares de claves y realizar las operaciones de cifrado/descifrado hace que los algoritmos asimétricos sean computacionalmente costosos, en comparación con la mayoría de los algoritmos simétricos. Dado que los algoritmos simétricos a menudo pueden usar cualquier secuencia de bits (aleatorios o al menos impredecibles) como clave, se puede generar rápidamente una clave de sesión desechable para uso a corto plazo. Por consiguiente, es práctica común utilizar una clave asimétrica larga para intercambiar una clave simétrica desechable, mucho más corta (pero igual de segura). El algoritmo asimétrico, más lento, envía de forma segura una clave de sesión simétrica, y el algoritmo simétrico, más rápido, se encarga del resto del mensaje.

La criptografía de clave asimétrica, el intercambio de claves Diffie-Hellman y el más conocido de los algoritmos de clave pública/clave privada (es decir, lo que generalmente se llama algoritmo RSA , inventado por Ron Rivest , Adi Shamir y Len Adelman en 1977), todos parecen haber sido desarrollados de forma independiente en una agencia de inteligencia del Reino Unido antes del anuncio público de Diffie y Hellman en 1976. GCHQ ha publicado documentos que afirman que habían desarrollado criptografía de clave pública antes de la publicación del artículo de Diffie y Hellman. [ 42 ] Se escribieron varios documentos clasificados en GCHQ durante las décadas de 1960 y 1970 que finalmente llevaron a esquemas esencialmente idénticos al cifrado RSA y al intercambio de claves Diffie-Hellman en 1973 y 1974. Algunos de estos han sido publicados ahora, y los inventores ( James H. Ellis , Clifford Cocks y Malcolm Williamson ) han hecho público (parte de) su trabajo.

Hashing

El hashing es una técnica común en criptografía que permite codificar información rápidamente mediante algoritmos típicos. Generalmente, se aplica un algoritmo a una cadena de texto, y la cadena resultante se convierte en el "valor hash". Esto crea una "huella digital" del mensaje, ya que el valor hash específico se utiliza para identificarlo. El resultado del algoritmo también se conoce como "resumen del mensaje" o "suma de verificación". El hashing es útil para determinar si la información ha sido modificada durante la transmisión. Si el valor hash difiere entre la recepción y el envío, existe evidencia de que el mensaje ha sido alterado. Una vez aplicado el algoritmo a los datos que se van a hashear, la función hash produce un resultado de longitud fija. En esencia, cualquier dato que pase por la función hash debería tener la misma longitud que cualquier otro dato que pase por la misma función. El hashing no es lo mismo que el cifrado. El hashing es una operación unidireccional que se utiliza para transformar datos en el resumen del mensaje comprimido. Además, la integridad del mensaje se puede medir mediante el hashing. Por el contrario, el cifrado es una operación bidireccional que se utiliza para transformar texto plano en texto cifrado y viceversa. En el cifrado, se garantiza la confidencialidad de un mensaje. [ 43 ]

Las funciones hash se pueden usar para verificar firmas digitales, de modo que al firmar documentos a través de Internet, la firma se aplica a una persona en particular. Al igual que una firma manuscrita, estas firmas se verifican asignando su código hash exacto a una persona. Además, el hashing se aplica a las contraseñas de los sistemas informáticos. El hashing de contraseñas comenzó con el sistema operativo UNIX . Un usuario del sistema primero creaba una contraseña. Esa contraseña se cifraba mediante un algoritmo o clave y luego se almacenaba en un archivo de contraseñas. Esto sigue siendo importante hoy en día, ya que las aplicaciones web que requieren contraseñas a menudo cifran las contraseñas de los usuarios y las almacenan en una base de datos. [ 44 ]

Política de criptografía

Los avances públicos de la década de 1970 rompieron el casi monopolio que las organizaciones gubernamentales ejercían sobre la criptografía de alta calidad (véase Crypto, de S. Levy , para un análisis periodístico de algunas de las controversias políticas de la época en Estados Unidos). Por primera vez, quienes no pertenecían a las organizaciones gubernamentales tuvieron acceso a criptografía prácticamente invulnerable (ni siquiera para los gobiernos). De inmediato surgieron numerosas controversias y conflictos, tanto públicos como privados, conocidos como las « guerras criptográficas» , que aún persisten. En muchos países, por ejemplo, la exportación de criptografía está sujeta a restricciones. Hasta 1996, la exportación desde Estados Unidos de criptografía con claves de más de 40 bits (demasiado pequeñas para ser seguras frente a un atacante experto) estaba muy limitada. En 2004, el exdirector del FBI , Louis Freeh , testificó ante la Comisión del 11-S y solicitó nuevas leyes contra el uso público del cifrado.

Una de las figuras más importantes a favor del cifrado robusto para uso público fue Phil Zimmermann . Escribió y luego, en 1991, publicó PGP (Pretty Good Privacy), un sistema criptográfico de muy alta calidad . Distribuyó una versión gratuita de PGP cuando se sintió amenazado por una legislación que el gobierno estadounidense estaba considerando en ese momento y que exigiría la inclusión de puertas traseras en todos los productos criptográficos desarrollados en Estados Unidos. Su sistema se lanzó a nivel mundial poco después de su lanzamiento en Estados Unidos, lo que dio inicio a una larga investigación penal en su contra por parte del Departamento de Justicia de Estados Unidos (DOJ) por la presunta violación de las restricciones a la exportación. El DOJ finalmente retiró la acusación contra Zimmermann, y la distribución gratuita de PGP ha continuado en todo el mundo. PGP incluso llegó a convertirse en un estándar abierto de Internet (RFC 2440 u OpenPGP ).

Criptoanálisis moderno

Aunque los cifrados modernos como AES y los cifrados asimétricos de mayor calidad se consideran prácticamente inquebrantables, en ocasiones se siguen adoptando diseños e implementaciones deficientes, y en los últimos años se han producido importantes fallos criptoanalíticos en sistemas criptográficos implementados. Ejemplos notables de diseños criptográficos vulnerados incluyen el primer esquema de cifrado Wi-Fi , WEP ; el sistema Content Scramble, utilizado para cifrar y controlar el uso de DVD; los cifrados A5/1 y A5/2 , empleados en teléfonos móviles GSM ; y el cifrado CRYPTO1, utilizado en las tarjetas inteligentes MIFARE Classic de NXP Semiconductors , una división derivada de Philips Electronics . Todos estos son cifrados simétricos. Hasta la fecha, ninguna de las ideas matemáticas subyacentes a la criptografía de clave pública ha demostrado ser «inquebrantable», por lo que algún avance futuro en el análisis matemático podría hacer que los sistemas que dependen de ellas sean inseguros. Si bien pocos expertos prevén tal avance, el tamaño de clave recomendado como buena práctica de seguridad sigue aumentando a medida que la potencia de cálculo necesaria para descifrar códigos se vuelve más económica y accesible. Si alguna vez se construyeran ordenadores cuánticos con la capacidad suficiente, podrían romper los algoritmos de clave pública existentes, y ya se están realizando esfuerzos para desarrollar y estandarizar la criptografía postcuántica .

Incluso sin romper el cifrado en el sentido tradicional, se pueden realizar ataques de canal lateral que explotan información obtenida a partir de la implementación de un sistema informático, como el uso de la memoria caché, información de temporización, consumo de energía, fugas electromagnéticas o incluso sonidos emitidos. Se están desarrollando nuevos algoritmos criptográficos que dificultan este tipo de ataques.

Véase también

Referencias

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