Ciencias de la Computación: Criptografía

Criptografía: fundamento matemático de las ciencias de la computación.

Introducción

La criptografía es la técnica, ciencia o arte de la escritura secreta. El principio básico de la criptografía es mantener la privacidad de la comunicación entre dos personas alterando el mensaje original de modo que sea incomprensible a toda persona distinta del destinatario; a esto debemos la autenticación, esto es, la firma del mensaje de modo que un tercero no pueda hacerse pasar por el emisor. La palabra criptografía proviene de las palabras griegas «criptos» (oculto) y «grafos» (escritura). A la transformación del mensaje original en el mensaje cifrado (criptograma) le llamamos cifrado, y a la operación inversa, le llamamos descifrado; estos pasos se realizan mediante un conjunto de reglas preestablecidas entre los comunicantes a la que se denomina clave.

El criptoanálisis es el conjunto de técnicas que intenta encontrar la clave utilizada entre dos comunicantes, desvelando así el secreto de su correspondencia.

Entre las disciplinas que engloba cabe destacar la Teoría de la Información, la Complejidad Algorítmica y la Teoría de números o Matemática Discreta.

A lo largo de la historia el ser humano ha sentido la necesidad de comunicarse, y, hoy más que nunca, de esconder de alguna manera la información confidencial, personal o de cualquier otra índole que se nos pueda ocurrir. Desgraciadamente, son las guerras las que provocan la mayoría de las veces esos adelantos técnico-científicos, o las que despiertan de alguna manera el ingenio humano para servir a sus propósitos. La criptografía no es una excepción, ya que la mayoría de los sistemas criptográficos fueron desarrollados en tiempos de guerra.
A través de la criptografía la información puede ser protegida contra el acceso no autorizado, su interceptación, su modificación y la inserción de información extra. También puede ser usada para prevenir el acceso y uso no autorizado de los recursos de una red o sistema informático y para prevenir a los usuarios la denegación de los servicios a los que sí están permitidos. Modernamente, la criptografía es la metodología para proveer la seguridad de las redes telemáticas, incluyendo la identificación de entidades y autenticación, el control de acceso a los recursos, la confidencialidad de los mensajes transmitidos, la integridad de los mensajes y su no repudio.

Objetivo

En esencia la criptografía trata de enmascarar las representaciones caligráficas de una lengua, de forma discreta. Si bien, el área de estudio científico que se encarga de ello es la Criptología.

Para ello existen distintos métodos, en donde el más común es el cifrado. Esta técnica enmascara las referencias originales de la lengua por un método de conversión gobernado por un algoritmo que permita el proceso inverso o descifrado de la información. El uso de esta u otras técnicas, permite un intercambio de mensajes que sólo puedan ser leídos por los destinatarios designados como ‘coherentes’. Un destinatario coherente es la persona a la que el mensaje se le dirige con intención por parte del remitente. Así pues, el destinatario coherente conoce el discretismo usado para el enmascaramiento del mensaje. Por lo que, o bien posee los medios para someter el mensaje criptográfico al proceso inverso, o puede razonar e inferir el proceso que lo convierta en un mensaje de acceso público. En ambos casos, no necesita usar técnicas criptoanalíticas.

Un ejemplo cotidiano de criptografía es el que usamos cuando mandamos una carta. El mensaje origen queda enmascarado por una cubierta denominada sobre, la cual declara el destinatario coherente, que además conoce el proceso inverso para hacer público el mensaje contenido en el sobre. El equivalente en informática a una carta de papel es el correo electrónico, pero ¿cuál sería el equivalente en informática al sobre del correo electrónico?

Hay procesos más elaborados que, por decirlo de alguna manera, el mensaje origen trata de introducir cada letra usada en un ‘sobre’ distinto. Por ejemplo, la frase ‘texto de prueba’, pudiera estar representada por la siguiente notación cifrada: CF, F0, 114, 10E, 106, 72, F3, F6, 75, 10C, 111, 118, FB, F6, F5. El ‘sobre’ usado es de notación hexadecimal, si bien, el cálculo hexadecimal es de acceso público, no se puede decir que sea un mensaje discreto, ahora, si el resultado de la notación hexadecimal (como es el caso para el ejemplo) es consecuencia de la aplicación de un ‘método’ de cierre del ‘sobre’ (como lo es la cola de sellado, o el lacre en las tradicionales cartas), el destinatario debe de conocer la forma de abrirlo sin deteriorar el mensaje origen. En otras palabras, debe de conocer la contraseña. Para el ejemplo, la contraseña es ‘12345678’.

Conceptos

En la jerga de la criptografía, la información original que debe protegerse se denomina texto en claro o texto plano. El cifrado es el proceso de convertir el texto plano en un galimatías ilegible, denominado texto cifrado o criptograma. Por lo general, la aplicación concreta del algoritmo de cifrado (también llamado cifra) se basa en la existencia de una clave: información secreta que adapta el algoritmo de cifrado para cada uso distinto. Cifra es una antigua palabra arábiga para designar el número cero; en la Antigüedad, cuando Europa empezaba a cambiar del sistema de numeración romano al arábigo, se desconocía el cero, por lo que este resultaba misterioso, de ahí probablemente que cifrado signifique misterioso.

Las dos técnicas más sencillas de cifrado, en la criptografía clásica, son la sustitución (que supone el cambio de significado de los elementos básicos del mensaje -las letras, los dígitos o los símbolos-) y la transposición (que supone una reordenación de los mismos); la gran mayoría de las cifras clásicas son combinaciones de estas dos operaciones básicas.

El descifrado es el proceso inverso que recupera el texto plano a partir del criptograma y la clave. El protocolo criptográfico especifica los detalles de cómo se utilizan los algoritmos y las claves (y otras operaciones primitivas) para conseguir el efecto deseado. El conjunto de protocolos, algoritmos de cifrado, procesos de gestión de claves y actuaciones de los usuarios, es lo que constituyen en conjunto un criptosistema, que es con lo que el usuario final trabaja e interactúa.

Existen dos grandes grupos de cifras: los algoritmos que usan una única clave tanto en el proceso de cifrado como en el de descifrado, y los que emplean una clave para cifrar mensajes y una clave distinta para descifrarlos. Los primeros se denominan cifras simétricas, de clave simétrica o de clave privada, y son la base de los algoritmos de cifrado clásico. Los segundos se denominan cifras asimétricas, de clave asimétrica o de clave pública y forman el núcleo de las técnicas de cifrado modernas.

En el lenguaje cotidiano, la palabra código se usa de forma indistinta con cifra. En la jerga de la criptografía, sin embargo, el término tiene un uso técnico especializado: los códigos son un método de criptografía clásica que consiste en sustituir unidades textuales más o menos largas o complejas, habitualmente palabras o frases, para ocultar el mensaje; por ejemplo, «cielo azul» podría significar «atacar al amanecer». Por el contrario, las cifras clásicas normalmente sustituyen o reordenan los elementos básicos del mensaje -letras, dígitos o símbolos-; en el ejemplo anterior, «rcnm arcteeaal aaa» sería un criptograma obtenido por transposición. Cuando se usa una técnica de códigos, la información secreta suele recopilarse en un libro de códigos.

Con frecuencia los procesos de cifrado y descifrado se encuentran en la literatura como encriptado y desencriptado, aunque ambos son neologismos erróneos —anglicismos de los términos ingleses encrypt y decrypt— todavía sin reconocimiento académico. Hay quien hace distinción entre cifrado/descifrado y encriptado/desencriptado según estén hablando de criptografía simétrica o asimétrica, pero la realidad es que la mayoría de los expertos hispanohablantes prefieren evitar ambos neologismos hasta el punto de que el uso de los mismos llega incluso a discernir a los aficionados y novatos en la materia de aquellos que han adquirido más experiencia y profundidad en la misma.

La criptografía en la era de la Informática

Las nuevas tecnologías electrónicas y digitales se adaptaron a las máquinas criptográficas. Se dieron así los primeros pasos hacia los sistemas criptográficos más modernos, mucho más fiables que la sustitución y transposición clásicas. Hoy por hoy, se utilizan métodos que combinan los dígitos del mensaje con otros, o bien algoritmos de gran complejidad como el DES (inventado por IBM) y sus posteriores sucesores.

Una de las aportaciones del último cuarto del s. XX son los sistemas de cifrado asimétrico o de clave pública (como RSA), en contraposición con todos los anteriores, que son criptosistemas simétricos o de clave privada, que usaban la misma clave para el cifrado y el descifrado del mensaje. La ventaja de estos sistemas es que permiten solucionar uno de los problemas de la criptografía clásica, la distribución de las claves secretas a los participantes en la comunicación. En la criptografía de clave pública, una de las claves puede hacerse pública sin que por ello la seguridad de la clave secreta se vea afectada. Lo cifrado con la clave secreta puede descifrarse con la pública y viceversa. Esta propiedad de los criptosistemas asimétricos permite también otras aplicaciones de estos criptosistemas, como la firma digital que es tan importante en las redes de telecomunicaciones hoy.

Existen dos trabajos fundamentales sobre los que se apoya prácticamente toda la teoría criptográfica actual. Uno de ellos, desarrollado por Claude Shannon en sus artículos «A Mathematical Theory of Communication» (1948) y «Communication Theory of Secrecy Systems» (1949), sienta las bases de la Teoría de la Información y de la Criptografía moderna. El segundo, publicado por Whitfield Diffie y Martin Hellman en 1976, se titulaba «New directions in Cryptography», e introducía el concepto de Criptografía de Clave Pública, abriendo enormemente el abanico de aplicación de esta viejísima disciplina.

Con la publicación del algoritmo RSA en 1977 por parte de los matemáticos Ron Rivest, Adi Shamir y Len Adleman la criptografía «moderna» o de clave pública alcanza su consolidación.

La criptografía y sus funciones en la seguridad de la información

Con la criptografía se intenta garantizar las siguientes propiedades deseables en la comunicación de información de forma segura (a estas propiedades se las conoce como funciones o servicios de seguridad):

– Confidencialidad: solamente los usuarios autorizados tienen acceso a la información.

– Integridad de la información: garantía ofrecida a los usuarios de que la información original no será alterada, ni intencional ni accidentalmente.

– Autenticación de usuario: es un proceso que permite al sistema verificar si el usuario que pretende acceder o hacer uso del sistema es quien dice ser.

– Autenticación de remitente: es el proceso que permite a un usuario certificar que el mensaje recibido fue de hecho enviado por el remitente y no por un suplantador.

– Autenticación del destinatario: es el proceso que permite garantizar la identidad del usuario destinatario.

– No repudio en origen: que cuando se reciba un mensaje, el remitente no pueda negar haber enviado dicho mensaje.

– No repudio en destino: que cuando se envía un mensaje, el destinatario no pueda negar haberlo recibido cuando le llegue.

– Autenticación de actualidad (no replay):  consiste en probar que el mensaje es actual, y que no se trata de un mensaje antiguo reenviado.

Criptología: criptografía y criptoanálisis

Conviene hacer notar que la palabra Criptografía sólo hace referencia al uso de códigos, por lo que no engloba a las técnicas que se usan para romper dichos códigos, conocidas en su conjunto como Criptoanálisis. En cualquier caso ambas disciplinas están íntimamente ligadas; no olvidemos que cuando se diseña un sistema para cifrar información, hay que tener muy presente su posible criptoanálisis, ya que en caso contrario se podría  llevar una  desagradable sorpresa.