Criptografía

Los principales tipos de cifrado clásicos son los cifrados de transposición , que reorganizan el orden de las letras en un mensaje (por ejemplo, «hola mundo» se convierte en «ehlol owrdl» en un esquema de reordenamiento trivialmente simple), y los cifrados de sustitución , que reemplazan sistemáticamente letras o grupos de letras con otras letras o grupos de letras (por ejemplo, «vuela de inmediato» se convierte en «gmz bu podf» al reemplazar cada letra con la que le sigue en el alfabeto latino ). ^{[ 22 ]} Las versiones simples de cualquiera de ellos nunca han ofrecido mucha confidencialidad frente a oponentes emprendedores. Un cifrado de sustitución temprano fue el cifrado César , en el que cada letra del texto plano se reemplazaba por una letra tres posiciones más abajo en el alfabeto. ^{[ 23 ]} Suetonio informa que Julio César lo usó con un desplazamiento de tres para comunicarse con sus generales. Atbash es un ejemplo de un cifrado hebreo temprano. El primer uso conocido de la criptografía es un texto cifrado tallado en piedra en Egipto ( c. 1900 a. C. ), pero esto puede haberse hecho para entretener a observadores letrados en lugar de como una forma de ocultar información.

Se dice que los griegos de la época clásica conocían los cifrados (por ejemplo, el cifrado de transposición escítala que se afirma que usaba el ejército espartano ). ^{[ 24 ]} La esteganografía (es decir, ocultar incluso la existencia de un mensaje para mantenerlo confidencial) también se desarrolló por primera vez en la antigüedad. Un ejemplo temprano, de Heródoto , fue un mensaje tatuado en la cabeza rapada de un esclavo y oculto bajo el cabello que volvió a crecer. ^{[ 13 ]} Otros métodos de esteganografía implican «ocultar a plena vista», como usar un cifrado musical para disfrazar un mensaje cifrado dentro de una partitura musical común. Ejemplos más modernos de esteganografía incluyen el uso de tinta invisible , micropuntos y marcas de agua digitales para ocultar información.

En la India, el Kama Sutra de Vātsyāyana, de 2000 años de antigüedad, habla de dos tipos diferentes de cifrados llamados Kautiliyam y Mulavediya. En el Kautiliyam, las sustituciones de letras se basan en relaciones fonéticas, como la conversión de vocales en consonantes. En el Mulavediya, el alfabeto cifrado consiste en emparejar letras y usar sus recíprocas. ^{[ 13 ]}

En la Persia sasánida , existían dos escrituras secretas, según el autor musulmán Ibn al-Nadim : la šāh-dabīrīya (literalmente "escritura del rey"), que se utilizaba para la correspondencia oficial, y la rāz-saharīya , que se utilizaba para comunicar mensajes secretos a otros países. ^{[ 25 ]}

David Kahn señala en The Codebreakers que la criptología moderna se originó entre los árabes , los primeros en documentar sistemáticamente los métodos criptoanalíticos. ^{[ 26 ]} 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. ^{[ 27 ]}

Los textos cifrados producidos por un cifrado clásico (y algunos cifrados modernos) revelarán información estadística sobre el texto plano, y esa información a menudo puede usarse para descifrar el cifrado. Tras el descubrimiento del análisis de frecuencia , casi todos estos cifrados pudieron ser descifrados por un atacante informado. ^{[ 28 ]} Estos cifrados clásicos aún gozan de popularidad hoy en día, aunque principalmente como acertijos (véase criptograma ). El matemático y polímata árabe Al-Kindi escribió un libro sobre criptografía titulado Risalah fi Istikhraj al-Mu'amma ( Manuscrito para el descifrado de mensajes criptográficos ), que describió el primer uso conocido de las técnicas de criptoanálisis de análisis de frecuencia. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

Las frecuencias de las letras en un idioma pueden ser de poca ayuda para algunas técnicas de cifrado históricas extendidas, como el cifrado homofónico , que tienden a aplanar la distribución de frecuencias. Para estos cifrados, las frecuencias de los grupos de letras (o n-gramas) del idioma pueden constituir una vulnerabilidad.

Esencialmente, todos los cifrados permanecieron vulnerables al criptoanálisis mediante la técnica de análisis de frecuencia hasta el desarrollo del cifrado polialfabético , desarrollado principalmente por Leon Battista Alberti alrededor del año 1467, aunque existen indicios de que Al-Kindi ya lo conocía. ^{[ 30 ]} La innovación de Alberti consistió en utilizar diferentes cifrados (es decir, alfabetos de sustitución) para distintas partes de un mensaje (quizás para cada letra sucesiva del texto plano en el límite). También inventó lo que probablemente fue el primer dispositivo de cifrado automático , una rueda que implementaba una realización parcial de su invención. En el cifrado de Vigenère , un cifrado polialfabético , el cifrado utiliza una palabra clave que controla la sustitución de letras según la letra de dicha palabra clave que se utilice. A mediados del siglo XIX, Charles Babbage demostró que el cifrado de Vigenère era vulnerable al examen de Kasiski , pero esto fue publicado por primera vez unos diez años después por Friedrich Kasiski . ^{[ 31 ]}

Aunque el análisis de frecuencia puede ser una técnica potente y general contra muchos cifrados, el cifrado ha seguido siendo a menudo eficaz en la práctica, ya que muchos aspirantes a criptoanalistas desconocían la técnica. Descifrar un mensaje sin utilizar el análisis de frecuencia requería esencialmente el conocimiento del cifrado utilizado y quizás de la clave involucrada, lo que hacía que el espionaje, el soborno, el robo, la deserción, etc., fueran enfoques más atractivos para quienes carecían de conocimientos criptoanalíticos. Finalmente, en el siglo XIX se reconoció explícitamente que el secreto del algoritmo de un cifrado no es una salvaguarda sensata ni práctica de la seguridad del mensaje; de ​​hecho, se comprendió además que cualquier esquema criptográfico adecuado (incluidos los cifrados) debería seguir siendo seguro incluso si el adversario comprende completamente el algoritmo del cifrado en sí. La seguridad de la clave utilizada debería ser suficiente por sí sola para que un buen cifrado mantenga la confidencialidad bajo un ataque. Este principio fundamental fue enunciado explícitamente por primera vez en 1883 por Auguste Kerckhoffs y generalmente se conoce como el Principio de Kerckhoffs . De forma alternativa y más directa, Claude Shannon , el inventor de la teoría de la información y de los fundamentos de la criptografía teórica, la reformuló como la máxima de Shannon : "el enemigo conoce el sistema".

Se han utilizado diferentes dispositivos y ayudas físicas para ayudar con los cifrados. Uno de los primeros pudo haber sido la escítala de la antigua Grecia, una vara supuestamente utilizada por los espartanos como ayuda para un cifrado de transposición. En la época medieval, se inventaron otras ayudas como la rejilla de cifrado , que también se usaba para una especie de esteganografía. Con la invención de los cifrados polialfabéticos llegaron ayudas más sofisticadas como el disco de cifrado de Alberti , el esquema de la tabula recta de Johannes Trithemius y el cifrado de rueda de Thomas Jefferson (no conocido públicamente y reinventado independientemente por Bazeries alrededor de 1900). Muchos dispositivos mecánicos de cifrado/descifrado se inventaron a principios del siglo XX, y varios fueron patentados, entre ellos las máquinas de rotor , entre las que destaca la máquina Enigma utilizada por el gobierno y el ejército alemanes desde finales de la década de 1920 y durante la Segunda Guerra Mundial . ^{[ 32 ]} Los cifrados implementados por ejemplos de mejor calidad de estos diseños de máquinas produjeron un aumento sustancial en la dificultad criptoanalítica después de la Primera Guerra Mundial. ^{[ 33 ]}

El criptoanálisis de los nuevos dispositivos de cifrado mecánico resultó ser difícil y laborioso. En el Reino Unido, los esfuerzos criptoanalíticos realizados en Bletchley Park durante la Segunda Guerra Mundial impulsaron el desarrollo de métodos más eficientes para llevar a cabo tareas repetitivas, como el descifrado de códigos militares . Esto culminó con el desarrollo del Colossus , la primera computadora totalmente electrónica, digital y programable del mundo , que ayudó a descifrar los códigos generados por la máquina Lorenz SZ40/42 del ejército alemán .

La extensa investigación académica abierta sobre criptografía es relativamente reciente, comenzando a mediados de la década de 1970. A principios de la década de 1970, personal de IBM diseñó el algoritmo Estándar de Cifrado de Datos (DES), que se convirtió en el primer estándar de criptografía del gobierno federal en los Estados Unidos. ^{[ 34 ]} En 1976, Whitfield Diffie y Martin Hellman publicaron el algoritmo de intercambio de claves Diffie-Hellman. ^{[ 35 ]} En 1977, el algoritmo RSA se publicó en la columna de Martin Gardner en Scientific American . ^{[ 36 ]} Desde entonces, la criptografía se ha convertido en una herramienta ampliamente utilizada en comunicaciones, redes informáticas y seguridad informática en general.

Algunas técnicas criptográficas modernas solo pueden mantener sus claves en secreto si ciertos problemas matemáticos son intratables , como la factorización de enteros o los problemas de logaritmos discretos , por lo que existen profundas conexiones con las matemáticas abstractas . Hay muy pocos criptosistemas cuya seguridad se haya demostrado incondicional. El cifrado de un solo uso es uno de ellos, y fue demostrado por Claude Shannon. Existen algunos algoritmos importantes cuya seguridad se ha demostrado bajo ciertas suposiciones. Por ejemplo, la imposibilidad de factorizar enteros extremadamente grandes es la base para creer que RSA es seguro, al igual que otros sistemas, pero aun así, no se dispone de una prueba de inquebrantables, ya que el problema matemático subyacente permanece abierto. En la práctica, estos sistemas se utilizan ampliamente y la mayoría de los observadores competentes los consideran inquebrantables. Existen sistemas similares a RSA, como uno de Michael O. Rabin, cuya seguridad se demuestra siempre que sea imposible factorizar n = pq ; en la práctica, es completamente inutilizable. El problema del logaritmo discreto es la base para creer que algunos otros criptosistemas son seguros, y nuevamente, existen sistemas relacionados, menos prácticos, que son demostrablemente seguros en relación con la resolubilidad o insolubilidad del problema del logaritmo discreto. ^{[ 37 ]}

Además de conocer la historia de la criptografía, los diseñadores de algoritmos y sistemas criptográficos deben considerar con sensatez los posibles desarrollos futuros al trabajar en sus diseños. Por ejemplo, las continuas mejoras en la potencia de procesamiento de las computadoras han aumentado el alcance de los ataques de fuerza bruta , por lo que, al especificar las longitudes de clave , las longitudes de clave requeridas también están aumentando. ^{[ 38 ]} Algunos diseñadores de sistemas criptográficos que desarrollan criptografía postcuántica ya están considerando el impacto potencial de la computación cuántica . La anunciada inminencia de pequeñas implementaciones de estas máquinas puede hacer que la necesidad de precaución preventiva sea algo más que una mera especulación. ^{[ 5 ]}

La criptografía de clave simétrica se refiere a los métodos de cifrado en los que tanto el emisor como el receptor comparten la misma clave (o, menos comúnmente, en los que sus claves son diferentes, pero están relacionadas de una manera fácilmente computable). Este fue el único tipo de cifrado conocido públicamente hasta junio de 1976. ^{[ 35 ]}

Los cifrados de clave simétrica se implementan como cifrados de bloques o cifrados de flujo . Un cifrado de bloques cifra la entrada en bloques de texto plano, a diferencia de los caracteres individuales, que es el formato de entrada utilizado por un cifrado de flujo.

El Estándar de Cifrado de Datos (DES) y el Estándar de Cifrado Avanzado (AES) son diseños de cifrado por bloques que han sido designados estándares criptográficos por el gobierno de EE. UU. (aunque la designación de DES fue finalmente retirada después de que se adoptara el AES). ^{[ 46 ]} A pesar de su desuso como estándar oficial, DES (especialmente su variante triple DES, aún aprobada y mucho más segura ) sigue siendo bastante popular; se utiliza en una amplia gama de aplicaciones, desde el cifrado de cajeros automáticos ^{[ 47 ]} hasta la privacidad del correo electrónico ^{[ 48 ]} y el acceso remoto seguro . ^{[ 49 ]} Se han diseñado y publicado muchos otros cifrados por bloques, con una variación considerable en la calidad. Muchos, incluso algunos diseñados por profesionales capaces, han sido completamente vulnerados, como FEAL . ^{[ 5 ] [ 50 ]}

Los cifradores de flujo, a diferencia de los de tipo "bloque", crean un flujo de material de clave de longitud arbitraria, que se combina con el texto plano bit a bit o carácter a carácter, de forma similar a la libreta de un solo uso . En un cifrador de flujo, el flujo de salida se crea a partir de un estado interno oculto que cambia a medida que el cifrador opera. Este estado interno se establece inicialmente utilizando el material de clave secreta. RC4 es un cifrador de flujo ampliamente utilizado. ^{[ 5 ]} Los cifradores de bloque pueden utilizarse como cifradores de flujo generando bloques de un flujo de clave (en lugar de un generador de números pseudoaleatorios ) y aplicando una operación XOR a cada bit del texto plano con cada bit del flujo de clave. ^{[ 51 ]}

Los códigos de autenticación de mensajes (MAC) son muy parecidos a las funciones hash criptográficas , excepto que se puede usar una clave secreta para autenticar el valor hash al recibirlo; ^{[ 5 ] [ 45 ]} esta complicación adicional bloquea un esquema de ataque contra los algoritmos de resumen desnudos , y por lo tanto se ha considerado que vale la pena el esfuerzo. Las funciones hash criptográficas son un tercer tipo de algoritmo criptográfico. Toman un mensaje de cualquier longitud como entrada y generan un hash corto de longitud fija , que se puede usar en (por ejemplo) una firma digital. Para buenas funciones hash, un atacante no puede encontrar dos mensajes que produzcan el mismo hash. MD4 es una función hash de uso prolongado que ahora está rota; MD5 , una variante reforzada de MD4, también es ampliamente utilizada pero está rota en la práctica. La Agencia de Seguridad Nacional de EE. UU. desarrolló la serie de algoritmos de hash seguros de funciones hash similares a MD5: SHA-0 fue un algoritmo defectuoso que la agencia retiró; SHA-1 está ampliamente implementado y es más seguro que MD5, pero los criptoanalistas han identificado ataques contra él; La familia SHA-2 mejora a SHA-1, pero es vulnerable a conflictos desde 2011; y la autoridad de estándares de EE. UU. consideró "prudente" desde una perspectiva de seguridad desarrollar un nuevo estándar para "mejorar significativamente la robustez del conjunto de herramientas de algoritmos hash generales del NIST ". ^{[ 52 ]} Por lo tanto, se convocó un concurso de diseño de funciones hash para seleccionar un nuevo estándar nacional de EE. UU., que se llamaría SHA-3 , para 2012. El concurso finalizó el 2 de octubre de 2012, cuando el NIST anunció que Keccak sería el nuevo algoritmo hash SHA-3. ^{[ 53 ]} A diferencia de los cifrados de bloques y de flujo que son invertibles, las funciones hash criptográficas producen una salida hash que no se puede usar para recuperar los datos de entrada originales. Las funciones hash criptográficas se utilizan para verificar la autenticidad de los datos recuperados de una fuente no confiable o para agregar una capa de seguridad.

Los sistemas criptográficos de clave simétrica utilizan la misma clave para cifrar y descifrar un mensaje, aunque un mensaje o grupo de mensajes puede tener una clave diferente. Una desventaja importante de los cifrados simétricos es la gestión de claves necesaria para su uso seguro. Idealmente, cada par de partes que se comunican debe compartir una clave diferente, y posiblemente también para cada texto cifrado intercambiado. El número de claves necesarias aumenta con el cuadrado del número de miembros de la red, lo que rápidamente exige esquemas complejos de gestión de claves para mantenerlas todas consistentes y secretas.

En un artículo pionero de 1976, Whitfield Diffie y Martin Hellman propusieron la noción de criptografía de clave pública (también llamada, más generalmente, clave asimétrica ), en la que se utilizan dos claves diferentes pero matemáticamente relacionadas: una clave pública y una clave privada . ^{[ 54 ]} Un sistema de clave pública se construye de tal manera que el cálculo de una clave (la "clave privada") es computacionalmente inviable a partir de la otra (la "clave pública"), aunque estén necesariamente relacionadas. En cambio, ambas claves se generan secretamente, como un par interrelacionado. ^{[ 55 ]} El historiador David Kahn describió la criptografía de clave pública como "el concepto nuevo más revolucionario en el campo desde que surgió la sustitución polialfabética en el Renacimiento". ^{[ 56 ]}

En los criptosistemas de clave pública, la clave pública puede distribuirse libremente, mientras que su clave privada asociada debe permanecer secreta. La clave pública se utiliza para el cifrado, mientras que la clave privada o secreta se utiliza para el descifrado. Si bien Diffie y Hellman no pudieron encontrar un sistema de este tipo, demostraron que la criptografía de clave pública era posible al presentar el protocolo de intercambio de claves Diffie-Hellman , una solución que ahora se utiliza ampliamente en comunicaciones seguras para permitir que dos partes acuerden secretamente una clave de cifrado compartida . ^{[ 35 ]} El estándar X.509 define el formato más utilizado para los certificados de clave pública . ^{[ 57 ]}

La publicación de Diffie y Hellman impulsó una amplia labor académica para encontrar un sistema práctico de cifrado de clave pública. Esta búsqueda fue finalmente ganada en 1978 por Ronald Rivest , Adi Shamir y Len Adleman , cuya solución se conoce desde entonces como el algoritmo RSA . ^{[ 58 ]}

Los algoritmos Diffie-Hellman y RSA , además de ser los primeros ejemplos conocidos públicamente de algoritmos de clave pública de alta calidad, se encuentran entre los más utilizados. Otros algoritmos de clave asimétrica incluyen el criptosistema Cramer-Shoup , el cifrado ElGamal y diversas técnicas de curva elíptica .

Un documento publicado en 1997 por el Cuartel General de Comunicaciones del Gobierno ( GCHQ ), una organización de inteligencia británica, reveló que los criptógrafos del GCHQ habían anticipado varios desarrollos académicos. ^{[ 59 ]} Según se informa, alrededor de 1970, James H. Ellis concibió los principios de la criptografía de clave asimétrica. En 1973, Clifford Cocks inventó una solución cuyo diseño era muy similar al de RSA. ^{[ 59 ] [ 60 ]} En 1974, se afirma que Malcolm J. Williamson desarrolló el intercambio de claves Diffie-Hellman. ^{[ 61 ]}

La criptografía de clave pública también se utiliza para implementar esquemas de firma digital . Una firma digital recuerda a una firma ordinaria; ambas tienen la característica de ser fáciles de producir para un usuario, pero difíciles de falsificar para cualquier otra persona . Las firmas digitales también pueden vincularse permanentemente al contenido del mensaje que se firma; por lo tanto, no se pueden "mover" de un documento a otro, ya que cualquier intento sería detectable. En los esquemas de firma digital, existen dos algoritmos: uno para firmar , en el que se utiliza una clave secreta para procesar el mensaje (o un hash del mensaje, o ambos), y otro para verificar , en el que se utiliza la clave pública correspondiente con el mensaje para comprobar la validez de la firma. RSA y DSA son dos de los esquemas de firma digital más populares. ^{[ 62 ]} Las firmas digitales son fundamentales para el funcionamiento de las infraestructuras de clave pública y muchos esquemas de seguridad de red (por ejemplo, SSL/TLS , muchas VPN , etc.). ^{[ 50 ]}

Los algoritmos de clave pública se basan con mayor frecuencia en la complejidad computacional de problemas "difíciles", a menudo de la teoría de números . Por ejemplo, la dificultad de RSA está relacionada con el problema de factorización de enteros , mientras que Diffie-Hellman y DSA están relacionadas con el problema del logaritmo discreto . La seguridad de la criptografía de curva elíptica se basa en problemas de teoría de números que involucran curvas elípticas . Debido a la dificultad de los problemas subyacentes, la mayoría de los algoritmos de clave pública implican operaciones como la multiplicación modular y la exponenciación, que son mucho más costosas computacionalmente que las técnicas utilizadas en la mayoría de los cifrados de bloques, especialmente con tamaños de clave típicos. Como resultado, los criptosistemas de clave pública suelen ser criptosistemas híbridos , en los que se utiliza un algoritmo de cifrado de clave simétrica rápido y de alta calidad para el mensaje en sí, mientras que la clave simétrica correspondiente se envía con el mensaje, pero cifrada mediante un algoritmo de clave pública. De manera similar, a menudo se utilizan esquemas de firma híbridos, en los que se calcula una función hash criptográfica y solo el hash resultante se firma digitalmente. ^{[ 5 ]}

Las funciones hash criptográficas son funciones que toman una entrada de longitud variable y devuelven una salida de longitud fija, que se puede utilizar, por ejemplo, en una firma digital. Para que una función hash sea segura, debe ser difícil calcular dos entradas que produzcan el mismo valor hash ( resistencia a colisiones ) y calcular una entrada que produzca un valor hash en una salida dada ( resistencia a preimágenes ). MD4 es una función hash de uso prolongado que ahora está rota; MD5 , una variante reforzada de MD4, también es ampliamente utilizada pero está rota en la práctica. La Agencia de Seguridad Nacional de EE. UU. desarrolló la serie de algoritmos de hash seguros de funciones hash similares a MD5: SHA-0 fue un algoritmo defectuoso que la agencia retiró; SHA-1 está ampliamente implementado y es más seguro que MD5, pero los criptoanalistas han identificado ataques contra él; la familia SHA-2 mejora SHA-1, pero es vulnerable a colisiones desde 2011; y la autoridad de estándares de EE. UU. consideró "prudente" desde una perspectiva de seguridad desarrollar un nuevo estándar para "mejorar significativamente la robustez del conjunto de herramientas de algoritmos hash generales del NIST ". ^{[ 52 ]} Por lo tanto, se convocó un concurso de diseño de funciones hash para seleccionar un nuevo estándar nacional de EE. UU., que se llamaría SHA-3 , para 2012. El concurso finalizó el 2 de octubre de 2012, cuando el NIST anunció que Keccak sería el nuevo algoritmo hash SHA-3. ^{[ 53 ]} A diferencia de los cifrados de bloques y de flujo que son invertibles, las funciones hash criptográficas producen una salida hash que no se puede utilizar para recuperar los datos de entrada originales. Las funciones hash criptográficas se utilizan para verificar la autenticidad de los datos recuperados de una fuente no confiable o para agregar una capa de seguridad.

El objetivo del criptoanálisis es encontrar alguna debilidad o inseguridad en un esquema criptográfico, permitiendo así su subversión o evasión.

Es un error común creer que todos los métodos de cifrado pueden romperse. En relación con su trabajo durante la Segunda Guerra Mundial en los Laboratorios Bell , Claude Shannon demostró que el cifrado de clave única es irrompible, siempre que el material de la clave sea verdaderamente aleatorio , nunca se reutilice, se mantenga en secreto para todos los posibles atacantes y tenga una longitud igual o mayor que el mensaje. ^{[ 63 ]} La mayoría de los cifrados , a excepción del de clave única, pueden romperse con suficiente esfuerzo computacional mediante un ataque de fuerza bruta , pero la cantidad de esfuerzo necesario puede depender exponencialmente del tamaño de la clave, en comparación con el esfuerzo necesario para utilizar el cifrado. En tales casos, se podría lograr una seguridad efectiva si se demuestra que el esfuerzo requerido (es decir, el "factor de trabajo", en términos de Shannon) está más allá de la capacidad de cualquier adversario. Esto significa que debe demostrarse que no se puede encontrar ningún método eficiente (a diferencia del método de fuerza bruta, que consume mucho tiempo) para romper el cifrado. Dado que hasta la fecha no se ha encontrado tal prueba, el cifrado de clave única sigue siendo el único cifrado teóricamente irrompible. Si bien un cifrado de clave de un solo uso bien implementado es impenetrable, el análisis del tráfico aún es posible.

Hay una amplia variedad de ataques criptoanalíticos, y se pueden clasificar de varias maneras. Una distinción común se basa en lo que Eve (un atacante) sabe y qué capacidades tiene disponibles. En un ataque de solo texto cifrado , Eve solo tiene acceso al texto cifrado (los buenos criptosistemas modernos suelen ser prácticamente inmunes a los ataques de solo texto cifrado). En un ataque de texto plano conocido , Eve tiene acceso a un texto cifrado y su texto plano correspondiente (o a muchos pares de estos). En un ataque de texto plano elegido , Eve puede elegir un texto plano y aprender su texto cifrado correspondiente (quizás muchas veces); un ejemplo es gardening , utilizado por los británicos durante la Segunda Guerra Mundial. En un ataque de texto cifrado elegido , Eve puede ser capaz de elegir textos cifrados y aprender sus textos planos correspondientes. ^{[ 5 ]} Finalmente, en un ataque de intermediario, Eve se interpone entre Alice (el remitente) y Bob (el destinatario), accede y modifica el tráfico y luego lo reenvía al destinatario. ^{[ 64 ]} También son importantes, a menudo de manera abrumadora, los errores (generalmente en el diseño o uso de uno de los protocolos involucrados).

El criptoanálisis de cifrados de clave simétrica generalmente implica la búsqueda de ataques contra los cifrados de bloques o de flujo que sean más eficientes que cualquier ataque que pudiera realizarse contra un cifrado perfecto. Por ejemplo, un ataque simple de fuerza bruta contra DES requiere un texto plano conocido y 2⁵⁵ ^descifrados , probando aproximadamente la mitad de las claves posibles, para llegar a un punto en el que las probabilidades de encontrar la clave buscada sean incluso mayores. Pero esto puede no ser suficiente garantía; un ataque de criptoanálisis lineal contra DES requiere ^2⁴³ textos planos conocidos (con sus correspondientes textos cifrados) y aproximadamente 2⁴³ ^operaciones DES. ^{[ 65 ]} Esto representa una mejora considerable con respecto a los ataques de fuerza bruta.

Los algoritmos de clave pública se basan en la dificultad computacional de diversos problemas. Los más conocidos son la dificultad de la factorización entera de semiprimos y la dificultad del cálculo de logaritmos discretos , problemas que aún no se han demostrado resolubles en tiempo polinomial ( P ) utilizando únicamente una computadora clásica Turing-completa . Gran parte del criptoanálisis de clave pública se centra en el diseño de algoritmos en P que puedan resolver estos problemas, o en el uso de otras tecnologías, como las computadoras cuánticas . Por ejemplo, los algoritmos más conocidos para resolver la versión del logaritmo discreto basada en curvas elípticas consumen mucho más tiempo que los algoritmos más conocidos para la factorización, al menos para problemas de tamaño más o menos equivalente. Por lo tanto, para lograr una seguridad de cifrado equivalente, las técnicas que dependen de la dificultad de factorizar grandes números compuestos, como el criptosistema RSA, requieren claves más grandes que las técnicas de curvas elípticas. Por esta razón, los criptosistemas de clave pública basados ​​en curvas elípticas se han popularizado desde su invención a mediados de la década de 1990.

Si bien el criptoanálisis puro utiliza las debilidades de los algoritmos, otros ataques a los criptosistemas se basan en el uso real de los algoritmos en dispositivos reales y se denominan ataques de canal lateral . Si un criptoanalista tiene acceso, por ejemplo, al tiempo que tardó el dispositivo en cifrar varios textos planos o en informar de un error en una contraseña o un carácter PIN, puede utilizar un ataque de temporización para romper un cifrado que, de otro modo, sería resistente al análisis. Un atacante también podría estudiar el patrón y la longitud de los mensajes para obtener información valiosa; esto se conoce como análisis de tráfico ^{[ 66 ]} y puede ser muy útil para un adversario atento. Una mala administración de un criptosistema, como permitir claves demasiado cortas, hará que cualquier sistema sea vulnerable, independientemente de otras virtudes. La ingeniería social y otros ataques contra personas (por ejemplo, soborno, extorsión , chantaje , espionaje, criptoanálisis de manguera de goma o tortura) se suelen emplear por ser mucho más rentables y factibles de realizar en un tiempo razonable en comparación con el criptoanálisis puro.

Gran parte del trabajo teórico en criptografía se centra en las primitivas criptográficas —algoritmos con propiedades criptográficas básicas— y su relación con otros problemas criptográficos. A partir de estas primitivas básicas, se construyen herramientas criptográficas más complejas. Estas primitivas proporcionan propiedades fundamentales que se utilizan para desarrollar herramientas más complejas, denominadas criptosistemas o protocolos criptográficos , que garantizan una o más propiedades de seguridad de alto nivel. Cabe señalar, sin embargo, que la distinción entre primitivas criptográficas y criptosistemas es bastante arbitraria; por ejemplo, el algoritmo RSA se considera a veces un criptosistema y otras veces una primitiva. Ejemplos típicos de primitivas criptográficas incluyen funciones pseudoaleatorias , funciones unidireccionales , etc.

A menudo se utilizan una o más primitivas criptográficas para desarrollar un algoritmo más complejo, denominado sistema criptográfico o criptosistema . Los criptosistemas (por ejemplo, el cifrado El-Gamal ) están diseñados para proporcionar una funcionalidad específica (por ejemplo, el cifrado de clave pública) al tiempo que garantizan ciertas propiedades de seguridad (por ejemplo, la seguridad frente a ataques de texto plano elegido (CPA) en el modelo de oráculo aleatorio ). Los criptosistemas utilizan las propiedades de las primitivas criptográficas subyacentes para respaldar las propiedades de seguridad del sistema. Dado que la distinción entre primitivas y criptosistemas es algo arbitraria, un criptosistema sofisticado puede derivarse de la combinación de varios criptosistemas más primitivos. En muchos casos, la estructura del criptosistema implica la comunicación bidireccional entre dos o más partes en el espacio (por ejemplo, entre el remitente de un mensaje seguro y su receptor) o a través del tiempo (por ejemplo, datos de respaldo protegidos criptográficamente ). Dichos criptosistemas a veces se denominan protocolos criptográficos .

Algunos criptosistemas ampliamente conocidos incluyen RSA, la firma Schnorr , el cifrado ElGamal y Pretty Good Privacy (PGP). Los criptosistemas más complejos incluyen sistemas de dinero electrónico ^{[ 67 ]} , sistemas de cifrado y firma , etc. Algunos criptosistemas más "teóricos" incluyen sistemas de prueba interactivos [ ^{68 ]} (como las pruebas ^de conocimiento cero ) ^{[ 69 ]} y sistemas para compartir secretos ^{[ 70 ] [ 71 ]} .

La criptografía ligera (LWC) se refiere a algoritmos criptográficos desarrollados para un entorno con restricciones estrictas. El crecimiento del Internet de las Cosas (IoT) ha impulsado la investigación sobre el desarrollo de algoritmos ligeros más adecuados para dicho entorno. Un entorno IoT requiere restricciones estrictas en cuanto al consumo de energía, la capacidad de procesamiento y la seguridad. ^{[ 72 ]} Algoritmos como Ascon y SPECK son ejemplos de los numerosos algoritmos LWC que se han desarrollado para cumplir con los criterios de la Competencia CAESAR y el estándar establecido por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología . ^{[ 73 ]}

La criptografía se puede utilizar para proteger las comunicaciones cifrándolas. Los sitios web utilizan cifrado a través de HTTPS . ^{[ 76 ]} El cifrado de extremo a extremo, donde solo el remitente y el receptor pueden leer los mensajes, se implementa para el correo electrónico en Pretty Good Privacy y para la mensajería segura en general en WhatsApp , Signal y Telegram . ^{[ 76 ]}

Los sistemas operativos utilizan cifrado para mantener las contraseñas en secreto, ocultar partes del sistema y garantizar que las actualizaciones de software provengan realmente del fabricante del sistema. ^{[ 76 ]} En lugar de almacenar contraseñas en texto plano, los sistemas informáticos almacenan sus hashes; luego, cuando un usuario inicia sesión, el sistema procesa la contraseña proporcionada mediante una función hash criptográfica y la compara con el valor hash almacenado. De esta manera, ni el sistema ni un atacante tienen acceso a la contraseña en texto plano en ningún momento. ^{[ 76 ]}

En ocasiones, se utiliza el cifrado para cifrar la unidad completa. Por ejemplo, el University College London ha implementado BitLocker (un programa de Microsoft) para hacer que los datos de la unidad sean opacos sin que los usuarios inicien sesión. ^{[ 76 ]}

Las técnicas criptográficas permiten el desarrollo de tecnologías de criptomonedas , como las tecnologías de registro distribuido (por ejemplo, blockchains ), que financian aplicaciones criptoeconómicas como las finanzas descentralizadas (DeFi) . Las principales técnicas criptográficas que permiten las criptomonedas y la criptoeconomía incluyen, entre otras: claves criptográficas , función hash criptográfica, cifrado asimétrico (clave pública) , autenticación multifactor (MFA) , cifrado de extremo a extremo (E2EE) y pruebas de conocimiento cero (ZKP) .

Las estimaciones sugieren que una computadora cuántica podría reducir el esfuerzo necesario para romper las claves RSA o de curva elíptica más seguras de la actualidad de milenios a apenas segundos, lo que haría inseguros los protocolos actuales (como las versiones de TLS que dependen de esas claves). ^{[ 77 ]}

Para mitigar esta "amenaza cuántica", los investigadores están desarrollando algoritmos resistentes a la computación cuántica cuya seguridad se basa en problemas que se cree que siguen siendo difíciles tanto para las computadoras clásicas como para las cuánticas. ^{[ 78 ]}

La criptografía ha sido durante mucho tiempo de interés para las agencias de inteligencia y las fuerzas del orden . ^{[ 9 ]} Las comunicaciones secretas pueden ser delictivas o incluso traición . Debido a que facilita la privacidad y a la disminución de la misma que conlleva su prohibición, la criptografía también despierta un considerable interés entre los defensores de los derechos civiles. En consecuencia, existe un historial de controversias legales en torno a la criptografía, especialmente desde que la llegada de las computadoras económicas ha hecho posible el acceso generalizado a la criptografía de alta calidad.

En algunos países, incluso el uso interno de la criptografía está, o ha estado, restringido. Hasta 1999, Francia restringió significativamente el uso de la criptografía a nivel nacional, aunque desde entonces ha flexibilizado muchas de estas normas. En China e Irán , todavía se requiere una licencia para usar criptografía. ^{[ 7 ]} Muchos países tienen estrictas restricciones sobre el uso de la criptografía. Entre las más restrictivas se encuentran las leyes de Bielorrusia , Kazajistán , Mongolia , Pakistán , Singapur , Túnez y Vietnam . ^{[ 79 ]}

En Estados Unidos, la criptografía es legal para uso interno, pero ha habido muchos conflictos sobre cuestiones legales relacionadas con ella. ^{[ 9 ]} Un tema particularmente importante ha sido la exportación de criptografía y software y hardware criptográficos. Probablemente debido a la importancia del criptoanálisis en la Segunda Guerra Mundial y a la expectativa de que la criptografía seguiría siendo importante para la seguridad nacional, muchos gobiernos occidentales han regulado estrictamente la exportación de criptografía en algún momento. Después de la Segunda Guerra Mundial, era ilegal en Estados Unidos vender o distribuir tecnología de cifrado en el extranjero; de hecho, el cifrado fue designado como equipo militar auxiliar y se incluyó en la Lista de Municiones de Estados Unidos . ^{[ 80 ]} Hasta el desarrollo de la computadora personal, los algoritmos de clave asimétrica (es decir, técnicas de clave pública) e Internet, esto no fue especialmente problemático. Sin embargo, a medida que Internet creció y las computadoras se hicieron más accesibles, las técnicas de cifrado de alta calidad se hicieron conocidas en todo el mundo.

En la década de 1990, surgieron varios desafíos a la regulación estadounidense de las exportaciones de criptografía. Después de que el código fuente del programa de cifrado Pretty Good Privacy (PGP) de Philip Zimmermann llegara a Internet en junio de 1991, una denuncia de RSA Security (entonces llamada RSA Data Security, Inc.) resultó en una larga investigación penal contra Zimmermann por parte del Servicio de Aduanas de EE. UU. y el FBI , aunque nunca se presentaron cargos. ^{[ 81 ] [ 82 ]} Daniel J. Bernstein , entonces estudiante de posgrado en UC Berkeley , presentó una demanda contra el gobierno estadounidense impugnando algunos aspectos de las restricciones basándose en la libertad de expresión . El caso Bernstein v. United States de 1995 culminó en una decisión de 1999 que estableció que el código fuente impreso de algoritmos y sistemas criptográficos estaba protegido como libertad de expresión por la Constitución de los Estados Unidos. ^{[ 83 ]}

En 1996, treinta y nueve países firmaron el Acuerdo de Wassenaar , un tratado de control de armas que aborda la exportación de armas y tecnologías de "doble uso" como la criptografía. El tratado estipuló que el uso de criptografía con longitudes de clave cortas (56 bits para cifrado simétrico, 512 bits para RSA) ya no estaría sujeto a control de exportaciones. ^{[ 84 ]} Las exportaciones de criptografía desde EE. UU. se volvieron menos estrictas como consecuencia de una importante relajación en 2000; ^{[ 85 ]} ya no hay muchas restricciones sobre los tamaños de clave en el software de mercado masivo exportado por EE. UU. Desde esta relajación en las restricciones de exportación de EE. UU., y debido a que la mayoría de las computadoras personales conectadas a Internet incluyen navegadores web de origen estadounidense como Firefox o Internet Explorer , casi todos los usuarios de Internet en el mundo tienen acceso potencial a criptografía de calidad a través de sus navegadores (por ejemplo, a través de Transport Layer Security ). Los programas de cliente de correo electrónico Mozilla Thunderbird y Microsoft Outlook también pueden transmitir y recibir correos electrónicos a través de TLS, y pueden enviar y recibir correo electrónico cifrado con S/MIME . Muchos usuarios de Internet desconocen que sus aplicaciones básicas contienen sistemas criptográficos tan complejos . Estos navegadores y programas de correo electrónico son tan omnipresentes que incluso los gobiernos que pretenden regular el uso civil de la criptografía generalmente no consideran práctico tomar medidas para controlar la distribución o el uso de criptografía de esta calidad; por lo tanto, incluso cuando existen leyes al respecto, su aplicación efectiva suele ser prácticamente imposible.

Otro tema polémico relacionado con la criptografía en Estados Unidos es la influencia de la Agencia de Seguridad Nacional (NSA) en el desarrollo y la política de cifrado. ^{[ 9 ]} La NSA participó en el diseño de DES durante su desarrollo en IBM y su consideración por la Oficina Nacional de Estándares (NBS ) como posible estándar federal para criptografía. ^{[ 86 ]} DES fue diseñado para ser resistente al criptoanálisis diferencial , ^{[ 87 ]} una técnica criptoanalítica potente y general conocida por la NSA e IBM, que se dio a conocer públicamente solo cuando fue redescubierta a finales de la década de 1980. ^{[ 88 ]} Según Steven Levy , IBM descubrió el criptoanálisis diferencial, ^{[ 82 ]} pero mantuvo la técnica en secreto a petición de la NSA. La técnica se dio a conocer públicamente solo cuando Biham y Shamir la redescubrieron y la anunciaron algunos años después. Todo este asunto ilustra la dificultad de determinar qué recursos y conocimientos podría tener realmente un atacante.

Otro ejemplo de la participación de la NSA fue el caso del chip Clipper de 1993 , un microchip de cifrado destinado a formar parte de la iniciativa de control criptográfico Capstone . Clipper fue ampliamente criticado por los criptógrafos por dos razones. El algoritmo de cifrado (llamado Skipjack ) fue clasificado (desclasificado en 1998, mucho después de que la iniciativa Clipper caducara). El cifrado clasificado generó preocupación de que la NSA lo hubiera debilitado deliberadamente para facilitar sus actividades de inteligencia. Toda la iniciativa también fue criticada por violar el Principio de Kerckhoffs , ya que el sistema incluía una clave de depósito especial en poder del gobierno para uso de las fuerzas del orden (es decir, escuchas telefónicas ). ^{[ 82 ]}

La criptografía es fundamental para la gestión de derechos digitales (DRM), un conjunto de técnicas para controlar tecnológicamente el uso de material protegido por derechos de autor , ampliamente implementadas y desplegadas a petición de algunos titulares de derechos de autor. En 1998, el presidente estadounidense Bill Clinton firmó la Ley de Derechos de Autor del Milenio Digital (DMCA), que penalizó toda producción, difusión y uso de ciertas técnicas y tecnologías criptoanalíticas (conocidas o descubiertas posteriormente); específicamente, aquellas que pudieran utilizarse para eludir los sistemas tecnológicos de DRM. ^{[ 89 ]} Esto tuvo un impacto notable en la comunidad de investigación en criptografía, ya que se puede argumentar que cualquier investigación criptoanalítica violaba la DMCA. Desde entonces, se han promulgado leyes similares en varios países y regiones, incluida la implementación en la Directiva de Derechos de Autor de la UE . Los tratados firmados por los Estados miembros de la Organización Mundial de la Propiedad Intelectual exigen restricciones similares .

El Departamento de Justicia de los Estados Unidos y el FBI no han aplicado la DMCA con el rigor que algunos temían, pero la ley, no obstante, sigue siendo controvertida. Niels Ferguson , un respetado investigador de criptografía, ha declarado públicamente que no publicará parte de su investigación sobre un diseño de seguridad de Intel por temor a ser procesado bajo la DMCA. ^{[ 90 ]} El criptólogo Bruce Schneier ha argumentado que la DMCA fomenta la dependencia de proveedores , al tiempo que inhibe medidas reales hacia la ciberseguridad. ^{[ 91 ]} Tanto Alan Cox ( desarrollador del kernel de Linux desde hace mucho tiempo) como Edward Felten (y algunos de sus estudiantes en Princeton) han tenido problemas relacionados con la Ley. Dmitry Sklyarov fue arrestado durante una visita a los EE. UU. desde Rusia y encarcelado durante cinco meses en espera de juicio por presuntas violaciones de la DMCA derivadas del trabajo que había realizado en Rusia, donde el trabajo era legal. En 2007, las claves criptográficas responsables del cifrado del contenido de Blu-ray y HD DVD fueron descubiertas y publicadas en Internet . En ambos casos, la Motion Picture Association of America envió numerosos avisos de eliminación de DMCA, y hubo una reacción masiva en Internet ^{[ 10 ]} provocada por el impacto percibido de dichos avisos en el uso justo y la libertad de expresión .

En el Reino Unido, la Ley de Regulación de Poderes de Investigación otorga a la policía británica la facultad de obligar a los sospechosos a descifrar archivos o entregar contraseñas que protegen las claves de cifrado. El incumplimiento constituye un delito en sí mismo, punible con una pena de prisión de dos años o hasta cinco años en casos que involucren la seguridad nacional. ^{[ 8 ]} Se han producido condenas en virtud de esta Ley; la primera, en 2009, ^{[ 92 ]} resultó en una pena de prisión de 13 meses. ^{[ 93 ]} Leyes similares de divulgación forzosa en Australia, Finlandia, Francia e India obligan a los sospechosos individuales bajo investigación a entregar claves de cifrado o contraseñas durante una investigación penal.

En Estados Unidos, el caso penal federal Estados Unidos contra Fricosu abordó si una orden de registro puede obligar a una persona a revelar una frase de cifrado o contraseña. ^{[ 94 ]} La Electronic Frontier Foundation (EFF) argumentó que esto constituye una violación de la protección contra la autoincriminación otorgada por la Quinta Enmienda . ^{[ 95 ]} En 2012, el tribunal dictaminó que, según la Ley de Órdenes Judiciales , el acusado estaba obligado a presentar un disco duro sin cifrar ante el tribunal. ^{[ 96 ]}

En muchas jurisdicciones, la situación jurídica de la divulgación forzosa sigue sin estar clara.

La disputa sobre cifrado entre el FBI y Apple en 2016 se refiere a la capacidad de los tribunales de Estados Unidos para obligar a los fabricantes a prestar asistencia para desbloquear teléfonos móviles cuyo contenido está protegido criptográficamente.

Como posible contramedida a la divulgación forzada, algunos programas criptográficos admiten la negación plausible , donde los datos cifrados son indistinguibles de los datos aleatorios no utilizados (por ejemplo, los de una unidad que ha sido borrada de forma segura ).