Objetivos

• La principal finalidad de esta unidad es introducir al lector en aspectos relacionados con la protección de la seguridad de los mensajes que circulan por la red a través de los diferentes sistemas criptográficos.
• Para ello se imparten nociones básicas del concepto técnico de la criptografía con métodos históricos y rudimentarios y describir como evolucionaron a lo largo de la historia.
• Se describirán los dos sistemas más empleados en la actualidad, los sistemas de clave simétrica y asimétrica detallando el proceso de emisión y recepción mediante claves privadas y públicas.
• Se describirán los principales problemas de seguridad que resuelve la criptografía son: la privacidad, la integridad, la autenticación y el no rechazo y como se pueden proteger mediante estos sistemas de cifrado.
• Para solucionar los problemas de lentitud de emisión de los mensajes con clave asi- métrica se describirán como se puede solventar mediante un algoritmo de clave pú- blica junto a uno de clave asimétrica.

Introducción

Los activos de información se encuentran expuestos a innumerables peligros: reve- lación o robo de datos sensibles, manipulación y alteración de documentos y transaccio- nes, interrupción en el acceso a los mismos o su total destrucción por causas naturales o humanas.

El objetivo de la confidencialidad consiste en garantizar que los datos, objetos y recursos solamente pueden ser leídos por sus destinatarios legítimos. Los datos o bien se encuentran almacenados en algún tipo de soporte físico (memoria, disco duro, disquete, etc.) o bien se encuentran en tránsito entre dos equipos a través de una red de comunica- ciones. Ambos estados de los datos, objetos y recursos requieren controles de seguridad únicos y específicos.

Los tres principios fundamentales de la gestión de la seguridad, a saber confidencia- lidad, integridad y disponibilidad, denominados a menudo la triada CID (Confidentiality, Integrity, Availability o CIA en inglés), tienen como objetivo implantar los mecanismos necesarios para salvaguardar la información frente a todo tipo de ataques y amenazas. Todo sistema de seguridad deberá por tanto garantizar los tres principios del CID:

Confidencialidad: La información debe ser accesible únicamente a las personas autorizadas.

Integridad: La información debe mantenerse completa (íntegra) y libre de manipula- ciones fortuitas o deliberadas, de manera que siempre se pueda confiar en ella.

Disponibilidad: La información debe ser accesible siempre que se la necesite, duran- te todo el tiempo que haga falta.

Para salvaguardar estos principios se suele emplear el cifrado de datos que garantiza que la información no sea inteligible para individuos, entidades o procesos no autoriza- dos. Consiste en transformar un texto en claro mediante un proceso de cifrado en un texto cifrado, gracias a una información secreta o clave de cifrado.

Cuando se emplea la misma clave en las operaciones de cifrado y descifrado, se dice que el criptosistema es simétrico o de clave secreta. Estos sistemas son muy rápi- dos, resultando apropiados para funciones de cifrado de grandes volúmenes de datos o de información en tiempo presente, como transmisión de vídeo o voz. Los algoritmos de clave secreta más utilizados son DES, Triple DES, RC4, RC5 y AES. Cuando se utiliza una pareja de claves para separar los procesos de cifrado y descifrado, se dice que el criptosistema es asimétrico o de clave pública. Una clave, la privada, se mantiene secreta, mientras que la segunda clave, la pública, deber ser conocida por todos.

El sistema tiene la propiedad de que a partir del conocimiento de la clave pública no es posible determinar la clave privada. Los criptosistemas de clave pública, aunque más lentos que los simétricos, resultan adecuados para las funciones de autenticación, distri- bución de claves y firmas digitales.

SEGURIDAD LÓGICA

2.1. Criptografía simétrica

y asimétrica

• Seguridad lógica

Para comprender correctamente conceptos como firma electrónica y certificado di- gital es necesario partir de los conceptos más básicos sobre criptografía. A lo largo de la historia siempre ha habido necesidad de proteger la información. Así, la criptografía tiene su origen durante el Imperio Romano, en la época del Emperador Julio César. César utili- zó un esquema criptográfico simple pero efectivo para comunicarse con sus generales. El esquema de César consistía en desplazar cada letra del alfabeto un número determinado de posiciones. Por ejemplo, la letra “A” podría ser codificada como “M”, la “B” como “N”, la “C” como “O” … así sucesivamente. En este caso, el número que se sumaría a cada letra para realizar la codificación sería el 13.

Así pues, el mensaje “ATAQUEN HOY AL ENEMIGO” podría transformarse en “MFMCGQZ TAK MX QZQYUSA”, sin poder ser reconocido por el enemigo.

El método de cifrado introducido por Julio César introduce el concepto de “clave criptográfica”. El “desplazamiento de 13 letras” es la clave que se utiliza por César para cifrar el mensaje, necesitándose la misma clave para descifrarlo. El ejemplo de César muestra un criptosistema de clave simétrica en el que se utiliza la misma clave para cifrar y descifrar el mensaje.

Por supuesto hoy en día los sistemas criptográficos que se emplean en Internet son mucho más complicados, aunque la base es la misma.

A continuación veremos su aplicación al mundo de las telecomunicaciones.

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• El cifrado digital

El concepto de cifrado es muy sencillo: dado un mensaje en claro, es decir, mensaje reconocible, al que se le aplique un algoritmo de cifrado, se generará como resultado un mensaje cifrado que sólo podrá ser descifrado por aquellos que conozcan el algoritmo utilizado y la clave que se ha empleado.

Dentro del cifrado digital encontramos dos opciones básicas: el cifrado de clave simé- trica y el de clave asimétrica. Vamos a ver a continuación en qué consiste cada uno de ellos.

La palabra criptografía proviene del griego kryptos, que significa esconder y grá- phein, escribir, es decir, escritura escondida. La criptografía, como se aprecia, ha sido usada a través de los años para mandar mensajes confidenciales cuyo propósito es que sólo las personas autorizadas puedan entender el mensaje.

Alguien que quiere mandar información confidencial aplica técnicas criptográficas para poder “esconder” o encriptar el mensaje por lo que lo remite a través de una línea de comunicación que se supone insegura y después solo el receptor autorizado pueda leer el mensaje “escondido” desencriptándolo.

Desde sus inicios la criptografía llegó a ser una herramienta muy usada en el ambien- te militar, por ejemplo en la segunda gran guerra tuvo un papel determinante, una de las máquinas de cifrado que tuvo gran popularidad se llamó “Enigma”.

Al terminar la guerra las agencias de seguridad de las grandes potencias invirtieron muchos recursos para su investigación. La criptografía actual se inicia en la segunda mi- tad de la década de los años 70.

No es hasta la invención del sistema conocido como DES (Data Encryption Stan- dard) en 1976 cuando se utiliza en áreas comerciales e industriales. Posteriormente con el sistema RSA (Rivest, Shamir, Adleman) en 1978, se abre un gran rango de aplicaciones en las comunicaciones militares, telefonía, televisión, etc.

La criptografía se divide en dos grandes ramas, la criptografía de clave privada o simétrica y la criptografía de clave pública o asimétrica, DES y RSA, respectivamente.

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Para poder entender algo la criptografía, es tiempo de plantear que tipo de problemas resuelve ésta. Los principales problemas de seguridad que resuelve la criptografía son: la privacidad, la integridad, la autenticación y el no rechazo.

La privacidad, se refiere al hecho de que la información sólo pueda ser leída por personas autorizadas. Se pretende, con ello, garantizar que la comunicación se mantenga privada sin interceptaciones ilícitas. Así, si mantenemos una conversación telefónica o enviamos una carta, esta comunicación se debe conservar privada sin interceptaciones ilícitas.

Por lo tanto al cifrar (esconder) la información cualquier intercepción no autorizada no podrá desvelar la información. Esto se consigue mediante técnicas criptográficas, en particular la privacidad se logra si se cifra el mensaje con un método simétrico.

La integridad, se vincula a que la información no pueda ser alterada en el transcurso de ser enviada. Por ejemplo, si adquirimos un billete de avión y los datos de configura- ción del vuelo son alterados afectará al plan de viaje. Si realizamos un ingreso bancario y la cifra es manipulada se producirá un desfase contable que afectará al cliente y al banco. La integridad es un concepto básico en las comunicaciones electrónicas especialmente en Internet.

La integridad también se puede solucionar con técnicas criptográficas particular- mente con procesos simétricos o asimétricos.

La autenticidad, permite que se pueda confirmar que el mensaje recibido ha sido enviado por quien dice que lo remitió o que el mensaje recibido es el que se esperaba de su origen.

Ejemplo, cuando pretendemos cobrar un cheque nominativo en una oficina bancaria el beneficiario debe someterse a un proceso de verificación de identidad a fin de compro- bar que en efecto es la persona quien dice ser mediante la verificación documental de este a través su documento de identidad y comprobación de su fotografía.

Como sabemos a través de Internet es muy fácil engañar a una persona con quien se tiene comunicación respecto a la identidad, resolver este problema es por lo tanto muy importante para efectuar comunicación confiable.

Las técnicas necesarias para poder verificar la autenticidad tanto de personas como de mensajes se emplea la firma digital que de algún modo ésta reemplaza a la firma au- tógrafa que se usa comúnmente. Para autenticar mensajes se usa criptografía simétrica.

El no rechazo, se refiere a que no se pueda negar la autoría de un mensaje enviado. Cuando se diseña un sistema de seguridad, una gran cantidad de problemas pueden ser evitados si se puede comprobar la autenticidad, garantizar privacidad, asegurar integridad y el no rechazo de un mensaje.

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La criptografía simétrica y asimétrica conjuntamente con otras técnicas, como el buen manejo de las claves y la legislación adecuada resuelven satisfactoriamente los an- teriormente problemas planteados, como lo veremos en los capítulos posteriores¹.

• Criptografía de clave simétrica

Mediante esta técnica se emplea una sola clave para cifrar y descifrar el mensaje.

Este sería el caso que acabamos de ver con Julio César.

Proceso                                                                                                                                                                            

Ana ha escrito un mensaje para Bernardo pero quiere asegurarse de que nadie más que él lo lee. Por esta razón ha decidido cifrarlo con una clave. Para que Bernardo pueda descifrar el mensaje, Ana deberá comunicarle dicha clave.

Bernardo recibe el mensaje y la clave y realiza el descifrado.

El beneficio más importante de las criptografía de clave simétrica es su velocidad lo cual hace que éste tipo de algoritmos sean los más apropiados para el cifrado de grandes cantidades de datos.

El problema que presenta la criptografía de clave simétrica es la necesidad de dis- tribuir la clave que se emplea para el cifrado por lo que si alguien consigue hacerse tanto con el mensaje como con la clave utilizada, podrá descifrarlo².

La criptografía simétrica se refiere al conjunto de métodos que permiten tener comu- nicación segura entre las partes siempre y cuando anteriormente se hayan intercambiado

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la clave correspondiente que llamaremos clave simétrica. La simetría se refiere a que las partes tienen la misma llave tanto para cifrar como para descifrar.

Este tipo de criptografía se conoce también como criptografía de clave privada o criptografía de llave privada.

La criptografía simétrica ha sido la más usada en toda la historia, ésta ha podido ser implementada en diferente dispositivos, manuales, mecánicos, eléctricos, hasta los algo- ritmos actuales que son programables en cualquier computadora. La idea general es apli- car diferentes funciones al mensaje que se quiere cifrar de tal modo que solo conociendo una clave pueda aplicarse de forma inversa para poder así descifrar.

Aunque no existe un tipo de diseño estándar, quizá el más popular es el de Fiestel, que consiste esencialmente en aplicar un número finito de interacciones de cierta forma, que finalmente da como resultado el mensaje cifrado. Este es el caso del sistema cripto- gráfico simétrico más conocido, DES.

DES es un sistema criptográfico que toma como entrada un bloque de 64 bits del mensaje. En la actualidad no se ha podido romper el sistema DES desde la perspectiva de poder deducir la clave simétrica a partir de la información interceptada, sin embargo con un método a fuerza bruta, es decir probando alrededor de 2⁵⁶ posibles claves, se pudo romper DES en el año 1999.

Lo anterior quiere decir que, es posible obtener la clave del sistema DES en un tiem- po relativamente corto, por lo que lo hace inseguro para propósitos de alta seguridad. La opción que se ha tomado para poder suplantar a DES ha sido emplear lo que se conoce como cifrado múltiple, es decir aplicar varias veces el mismo algoritmo para fortalecer la longitud de la clave. Esta nueva forma de cifrado se conoce actualmente como tri- ple-DES o TDES.

Este sistema TDES usa entonces una clave de 168 bits, aunque se ha podido mostrar que los ataques actualmente pueden romper a TDES con una complejidad de 2¹¹², es decir efectuar al menos 2¹¹² operaciones para obtener la clave a fuerza bruta.

Podemos afirmar que el estado actual de la criptografía simétrica consiste en la bús- queda de un nuevo sistema que pueda reemplazar a DES en la mayor parte de aplicacio- nes. Por esta razón se plantea el uso de un sistema criptográfico basado en claves asimé- tricas, como veremos a continuación³.

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Funciones hash                                                                                                                                                             

Una herramienta fundamental en la criptografía, son las funciones hash. Son usadas principalmente para resolver el problema de la integridad de los mensajes, así como la autenticidad de mensajes y de su origen.

Una función hash es también ampliamente usada para la firma digital, ya que los documentos a firmar son en general demasiado grandes. La función hash les asocia una cadena de longitud 160 bits que los hace más manejables para el propósito de firma digi- tal. De alguna forma lo que se hace es tomar el mensaje partirlo en pedazos de longitud constante y combinar de alguna forma pedazo por pedazo hasta obtener un solo mensaje de longitud fija.

• Criptografía de clave asimétrica

En este caso, cada usuario del sistema criptográfico ha de poseer una pareja de claves:

Clave privada: Que debe ser custodiada por su propietario y no se dará a conocer a ningún otro.

Clave pública: Que debe ser conocida por todos los usuarios.

Esta pareja de claves es complementaria de forma que lo que cifra una solo lo puede descifrar la otra y viceversa. Estas claves se obtienen mediante métodos matemáticos complicados lo que dificulta enormemente conocer una clave a partir de la otra.

Proceso                                                                                                                                                                            

Ana y Bernardo tienen sus pares de claves respectivas: una clave privada que sólo ha de conocer el propietario de la misma y una clave pública que está disponible para todos los usuarios del sistema.

Ana escribe un mensaje a Bernardo y quiere que sólo él pueda leerlo. Por esta razón

                 lo cifra con la clave pública de este que al ser pública es accesible a todos los usuarios.

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Se efectúa el envío del mensaje cifrado que no requiere el envío de la clave. De esta forma solo Bernardo, el destinatario del correo, puede descifrar el mensaje enviado por Ana ya que sólo él conoce la clave privada correspondiente.

Al no tener que remitir la clave el sistema se hace más seguro. El inconveniente se centra en la lentitud del proceso. Para solventarlo el procedimiento que suele seguirse para realizar el cifrado de un mensaje es utilizar un algoritmo de clave pública junto a uno de clave simétrica.

La criptografía asimétrica es por definición aquella que utiliza dos claves diferentes para cada usuario, una para cifrar que se le llama clave pública y otra para descifrar que es la clave privada. El nacimiento de la criptografía asimétrica se dio al estar buscando un modo más práctico de intercambiar las llaves simétricas.

Diffie y Hellman, proponen una forma para hacer esto, sin embargo no fue hasta que el popular método de Rivest Shamir y Adleman RSA publicado en 1978, cuando toma forma la criptografía asimétrica. Actualmente la Criptografía asimétrica es muy utilizada; sus dos principales aplicaciones se basan en el intercambio de claves privadas y la firma digital.

La firma digital se puede definir como una cadena de caracteres que se agrega a un archivo digital que hace el mismo papel que la firma convencional que se escribe en un documento de papel ordinario.

En la actualidad la criptografía asimétrica o de clave pública se divide en tres fami- lias según el problema matemático en el cual basan su seguridad. Una de las más conoci- das es el RSA antes mencionada.

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• Cifrado de clave pública

El uso de claves asimétricas ralentiza el proceso de cifrado. Para solventar dicho inconveniente, el procedimiento que suele seguirse para realizar el cifrado de un mensaje es utilizar un algoritmo de clave pública junto a uno de clave simétrica. A continuación veremos cómo se produce el cifrado de un mensaje, mediante el cual obtenemos plena garantía de confidencialidad.

Proceso                                                                                                                                                                            

Ana y Bernardo tienen sus pares de claves respectivas. Ana escribe un mensaje a Bernardo que cifra con el sistema de criptografía de clave simétrica. Esta clave se deno- mina clave de sesión y se genera aleatoriamente. Para enviar la clave de sesión de forma segura, esta se cifra con la clave pública de Bernardo, utilizando por lo tanto criptografía de clave asimétrica.

Bernardo, destinatario del mensaje, lo recibe cifrado con la clave de sesión y esta misma cifrada con su clave pública. Para poderlo descifrar, realiza el proceso inverso, en primer lugar utiliza su clave privada para descifrar la clave de sesión. Así, una vez ha obtenido la clave de sesión, ya puede descifrar el mensaje. Con este sistema conseguimos:

Confidencialidad: Ya que solo podrá leer el mensaje el destinatario del mismo.

Integridad: Que garantiza que el mensaje no podrá ser modificado.

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Resumen

• Los activos de información se encuentran expuestos a innumerables peligros.
• El objetivo de la confidencialidad consiste en garantizar que los datos, objetos y re- cursos solamente pueden ser leídos por sus destinatarios legítimos.
• Los tres principios fundamentales de la gestión de la seguridad, a saber confidencia- lidad, integridad y disponibilidad.
• Para salvaguardar estos principios se suele emplear el cifrado de datos que garan- tiza que la información no sea inteligible para individuos, entidades o procesos no autorizados.
• Cuando se emplea la misma clave en las operaciones de cifrado y descifrado, se dice que el criptosistema es simétrico o de clave secreta.
• Cuando se utiliza una pareja de claves para separar los procesos de cifrado y desci- frado, se dice que el criptosistema es asimétrico o de clave pública.
• Los criptosistemas de clave pública, aunque más lentos que los simétricos, resul- tan adecuados para las funciones de autenticación, distribución de claves y firmas digitales.