Criptología - Algoritmos Simétricos Modernos (Llave Privada)

La mayoría de los algoritmos simétricos actuales se apoyan en los conceptos de Confusión y Difusión vertidos por Claude Shannon sobre la Teoría de la Información a finales de los años cuarenta.
Estos métodos consisten en ocultar la relación entre el texto plano, el texto cifrado y la clave (Confusión); y repartir la influencia de cada bit del mensaje original lo más posible entre el mensaje cifrado (Difusión).
El objetivo del presente no es entrar en detalles de cada uno de los muchos algoritmos existentes, por lo que sólo se dará una idea de su funcionamiento y complejidad.

Redes de Feistel

Este algoritmo no es un algoritmo de cifrado per se, pero muchos de los vistos a continuación lo utilizan como parte vital en su funcionamiento. Se basa en dividir un bloque de longitud n (generalmente el texto a cifrar) en dos mitades, L y R. Luego se define un cifrado de producto iteractivo en el que la salida de cada ronda es la entrada de la siguiente.

DES

Data Encryption Standard es el algoritmo simétrico más extendido mundialmente. A mediados de los setenta fue adoptado como estándar para las comunicaciones seguras (Estándar AES) del gobierno de EE.UU. En su principio fue diseñado por la NSA (National Security Agency) (1) para ser implementado en hardware, pero al extenderse su algoritmo se comenzó a implementar en software.
DES utiliza bloques de 64 bits, los cuales codifica empleando claves de 56 bits y aplicando permutaciones a nivel de bit en diferentes momentos (mediante tablas de permutaciones y operaciones XOR). Es una red de Feistel de 16 rondas, más dos permutaciones, una que se aplica al principio y otra al final.
La flexibilidad de DES reside en que el mismo algoritmo puede ser utilizado tanto para cifrar como para descifrar, simplemente invirtiendo el orden de las 16 subclaves obtenidas a partir de la clave de cifrado.
En la actualidad no se ha podido romper el sistema DES criptoanalíticamente (deducir la clave simétrica a partir de la información interceptada). Sin embargo una empresa española sin fines de lucro llamado Electronic Frontier Foundation (EFF) (2) construyo en Enero de 1999 una máquina capaz de probar las 2 56 claves posibles en DES y romperlo sólo en tres días con fuerza bruta.
A pesar de su caída DES sigue siendo utilizado por su amplia extensión de las implementaciones vía hardware existentes (en cajeros automáticos y señales de video por ejemplo) y se evita tener que confiar en nuevas tecnologías no probadas. En vez de abandonar su utilización se prefiere suplantar a DES con lo que se conoce como cifrado múltiple, es decir aplicar varias veces el mismo algoritmo para fortalecer la longitud de la clave.

DES Múltiple

Consiste en aplicar varias veces el algoritmo DES (con diferentes claves) al mensaje original. El más conocidos de todos ellos el Triple-DES (T-DES), el cual consiste en aplicar 3 veces DES de la siguiente manera:

1. Se codifica con la clave K¹.
   
2. Se decodifica el resultado con la clave K².
   
3. Lo obtenido se vuelve a codificar con K¹.

La clave resultante el la concatenación de K¹ y K² con una longitud de 112 bits.
En 1998 el NIST (National Institute of Standards Technology) convoco a un concurso para poder determinar un algoritmo simétricos seguro y próximo sustito de DES. Se aceptaron 15 candidatos y a principios del año 2000 los 5 finalistas fueron MARS, RC-6, Serpent y TwoFish y Rijndael (que en octubre sería el ganador).

IDEA

El International Data Encription Algorithm fue desarollado en Alemania a principios de los noventa por James L. Massey y Xuejia Lai.
Trabaja con bloques de 64 bits de longitud empleando una clave de 128 bits y, como en el caso de DES, se utiliza el mismo algoritmo tanto para cifrar como para descifrar.
El proceso de encriptación consiste ocho rondas de cifrado idéntico, excepto por las subclaves utilizadas (segmentos de 16 bits de los 128 de la clave), en donde se combinan diferentes operaciones matemáticas (XORs y Sumas Módulo 16) y una transformación final.

"En mi opinión, él es el mejor y más seguro algoritmo de bloques disponible actualmente al público." (3)

BlowFish

Este algoritmo fue desarrollado por Bruce Schneier en 1993. Para la encriptación emplea bloques de 64 bits y permite claves de encriptación de diversas longitudes (hasta 448 bits).
Generalmente, utiliza valores decimales de Π (aunque puede cambiarse a voluntad) para obtener las funciones de encriptación y desencriptación. Estas funciones emplean operaciones lógicas simples y presentes en cualquier procesador. Esto se traduce en un algoritmo "liviano", que permite su implementación, vía hardware, en cualquier controlador (como teléfonos celulares por ejemplo).

RC5

Este algoritmo, diseñado por RSA (4), permite definir el tamaño del bloque a encriptar, el tamaño de la clave utilizada y el número de fases de encriptación. El algoritmo genera una tabla de encriptación y luego procede a encriptar o desencriptar los datos.

CAST

Es un buen sistema de cifrado en bloques con una clave CAST-128 bits, es muy rápido y es gratuito. Su nombre deriva de las iniciales de sus autores, Carlisle, Adams, Stafford Tavares, de la empresa Northern Telecom (NorTel).
CAST no tiene claves débiles o semidébiles y hay fuertes argumentos acerca que CAST es completamente inmune a los métodos de criptoanálisis más potentes conocidos.
También existe una versión con clave CAST-256 bits que ha sido candidato a AES.

Rijndael (el nuevo estándar AES)

Rijndael, el nuevo algoritmo belga mezcla de Vincent Rijmen y Joan Daemen (sus autores) sorprende tanto por su innovador diseño como por su simplicidad práctica; aunque tras él se esconda un complejo trasfondo matemático.
Su algoritmo no se basa en redes de Feistel, y en su lugar se ha definido una estructura de "capas" formadas por funciones polinómicas reversibles (tienen inversa) y no lineales. Es fácil imaginar que el proceso de descifrado consiste en aplicar las funciones inversas a las aplicadas para cifrar, en el orden contrario.
Las implementaciones actuales pueden utilizar bloques de 128, 192 y 256 bits de longitud combinadas con claves de 128, 192 y 256 bits para su cifrado; aunque tanto los bloques como las claves pueden extenderse en múltiplo de 32 bits.
Si bien su joven edad no permite asegurar nada, según sus autores, es altamente improbable que existan claves débiles en el nuevo AES. También se ha probado la resistencia al criptoanálisis tanto lineal como diferencial, asegurando así la desaparición de DES.

Criptoanálisis de Algoritmos Simétricos

El Criptoanálisis comenzó a extenderse a partir de la aparición de DES por sospechas (nunca confirmadas) de que el algoritmo propuesto por la NSA contenía puertas traseras. Entre los ataques más potentes a la criptografía simétrica se encuentran:

• Criptoanálisis Diferencial: Ideado por Biham y Shamir en 1990, se basa en el estudio de dos textos codificados para estudiar las diferencias entre ambos mientras se los está codificando. Luego puede asignarse probabilidades a ciertas claves de cifrado.
• Criptoanálisis Lineal: Ideado por Mitsuru Matsui, se basa en tomar porciones del texto cifrado y porciones de otro texto plano y efectuar operaciones sobre ellos de forma tal de obtener probabilidades de aparición de ciertas claves.

Sin embargo, estos métodos, no han podido ser muy eficientes en la práctica. En el momento después de que un sistema criptográfico es publicado y se muestra inmune a estos dos tipos de ataques (y otros pocos) la mayor preocupación es la longitud de las claves.