Cifrado

Una de las formas más antiguas de cifrado es el reemplazo de símbolos, que se encontró por primera vez en la tumba de Khnumhotep II , quien vivió en Egipto alrededor del año 1900 a . C. El cifrado por reemplazo de símbolos es "no estándar", lo que significa que los símbolos requieren un cifrado o una clave para ser descifrados. Este tipo de cifrado primitivo se utilizó en toda la Antigua Grecia y Roma con fines militares. ^{[ 3 ]} Uno de los desarrollos más famosos del cifrado militar fue el cifrado César , en el que una letra del texto plano se desplaza un número fijo de posiciones a lo largo del alfabeto para obtener la letra codificada. Un mensaje cifrado con este tipo de cifrado podía descifrarse con un número fijo en el cifrado César. ^{[ 4 ]}

Alrededor del año 800 d. C., el matemático árabe al-Kindi desarrolló la técnica del análisis de frecuencia , que fue un intento de descifrar sistemáticamente los cifrados , incluido el cifrado César. ^{[ 3 ]} Esta técnica analizaba la frecuencia de las letras en el mensaje cifrado para determinar el desplazamiento apropiado: por ejemplo, la letra más común en el texto inglés es la E y, por lo tanto, es probable que esté representada por la letra que aparece con mayor frecuencia en el texto cifrado. Esta técnica se volvió ineficaz con el cifrado polialfabético , descrito por al-Qalqashandi (1355-1418) ^{[ 2 ]} y Leon Battista Alberti (en 1465), que variaba el alfabeto de sustitución a medida que avanzaba el cifrado para confundir dicho análisis.

Hacia 1790, Thomas Jefferson teorizó sobre un cifrado para codificar y decodificar mensajes con el fin de proporcionar una forma más segura de correspondencia militar. Este cifrado, conocido hoy como el Cifrado de Rueda o el Disco de Jefferson , aunque nunca llegó a construirse, consistía en una bobina capaz de desordenar un mensaje en inglés de hasta 36 caracteres. El mensaje podía descifrarse conectándolo a un receptor con un cifrado idéntico. ^{[ 5 ]}

Un dispositivo similar al Jefferson Disk, el M-94 , fue desarrollado independientemente en 1917 por el mayor del ejército estadounidense Joseph Mauborne. Este dispositivo se utilizó en las comunicaciones militares estadounidenses hasta 1942. ^{[ 6 ]}

En la Segunda Guerra Mundial , las potencias del Eje utilizaron una versión más avanzada de la M-94 llamada Máquina Enigma . La Máquina Enigma era más compleja porque, a diferencia de la Rueda de Jefferson y la M-94, cada día la combinación de letras cambiaba a una combinación completamente nueva. La combinación de cada día solo la conocían las potencias del Eje, por lo que muchos pensaron que la única forma de descifrar el código sería probar más de 17 000 combinaciones en 24 horas. ^{[ 7 ]} Los Aliados utilizaron su capacidad de cálculo para limitar drásticamente el número de combinaciones razonables que debían comprobar cada día, lo que llevó al desciframiento de la Máquina Enigma.

Hoy en día, el cifrado se utiliza en la transferencia de comunicaciones a través de Internet para la seguridad y el comercio. ^{[ 1 ]} A medida que la capacidad de procesamiento continúa aumentando, el cifrado informático evoluciona constantemente para prevenir ataques de espionaje . ^{[ 8 ]} Uno de los primeros conjuntos de cifrado "modernos", DES , utilizaba una clave de 56 bits con 72.057.594.037.927.936 posibilidades; fue descifrado en 1999 por el descifrador de fuerza bruta DES de la EFF , que requirió 22 horas y 15 minutos para hacerlo. Los estándares de cifrado modernos suelen utilizar tamaños de clave más robustos, como AES (modo de 256 bits), TwoFish , ChaCha20-Poly1305 , Serpent (configurable hasta 512 bits). Los conjuntos de cifrado que utilizan una clave de 128 bits o superior, como AES, no pueden ser descifrados por fuerza bruta porque el número total de claves es 3,4028237e+38 posibilidades. La opción más probable para descifrar cifrados con claves de gran tamaño es encontrar vulnerabilidades en el propio cifrado, como sesgos inherentes y puertas traseras , o explotar efectos secundarios físicos mediante ataques de canal lateral . Por ejemplo, RC4 , un cifrado de flujo, fue descifrado debido a sesgos inherentes y vulnerabilidades en el cifrado.

En los sistemas de clave simétrica , ^{[ 12 ]} las claves de cifrado y descifrado son las mismas. Las partes que se comunican deben tener la misma clave para lograr una comunicación segura. La máquina Enigma alemana utilizaba una clave simétrica nueva cada día para cifrar y descifrar mensajes.

En los esquemas de criptografía de clave pública , la clave de cifrado se publica para que cualquiera pueda usarla y cifrar mensajes. Sin embargo, solo la parte receptora tiene acceso a la clave de descifrado que permite leer los mensajes. ^{[ 13 ]} El cifrado de clave pública se describió por primera vez en un documento secreto en 1973; ^{[ 14 ]} antes, todos los esquemas de cifrado eran de clave simétrica (también llamados de clave privada). ^{[ 15 ] : 478} Aunque se publicó posteriormente, el trabajo de Diffie y Hellman se publicó en una revista con un gran número de lectores, y el valor de la metodología se describió explícitamente. ^{[ 16 ]} El método se conoció como el intercambio de claves Diffie-Hellman .

RSA (Rivest–Shamir–Adleman) es otro sistema criptográfico de clave pública notable . Creado en 1978, todavía se utiliza hoy en día para aplicaciones que involucran firmas digitales . ^{[ 17 ]} Utilizando la teoría de números , el algoritmo RSA selecciona dos números primos , que ayudan a generar tanto las claves de cifrado como las de descifrado. ^{[ 18 ]}

Una aplicación de cifrado de clave pública disponible públicamente llamada Pretty Good Privacy (PGP) fue escrita en 1991 por Phil Zimmermann y distribuida gratuitamente con su código fuente. Symantec adquirió PGP en 2010 y la aplicación se actualiza periódicamente. ^{[ 19 ]}

El cifrado desempeña un papel fundamental en el cumplimiento de los requisitos reglamentarios para la protección de datos confidenciales. Según la Regla de Seguridad de HIPAA , el cifrado de la información de salud protegida electrónicamente (ePHI) se clasifica como una especificación de implementación "direccionable", lo que significa que las entidades cubiertas deben implementarla o documentar por qué una medida alternativa equivalente es razonable y apropiada. ^{[ 27 ]} Cabe destacar que la Regla de Notificación de Incumplimientos de HIPAA proporciona un puerto seguro para los datos cifrados: los incumplimientos que involucran ePHI que se han cifrado de acuerdo con los estándares del NIST no se consideran incumplimientos que deban notificarse. Una propuesta de actualización de la Regla de Seguridad de HIPAA (NPRM, diciembre de 2024) convertiría el cifrado de ePHI en reposo y en tránsito en un requisito obligatorio, eliminando su estatus actual de "direccionable". ^{[ 28 ]}

El estándar de seguridad de datos de la industria de tarjetas de pago (PCI DSS) exige el cifrado de los datos del titular de la tarjeta tanto en almacenamiento (Requisito 3) como durante la transmisión a través de redes públicas abiertas (Requisito 4), especificando el uso de algoritmos criptográficos robustos. ^{[ 29 ]}

Los métodos convencionales para eliminar datos de forma permanente de un dispositivo de almacenamiento implican sobrescribir todo el contenido del dispositivo con ceros, unos u otros patrones, un proceso que puede llevar bastante tiempo, dependiendo de la capacidad y el tipo de medio de almacenamiento. La criptografía ofrece una forma de hacer que el borrado sea casi instantáneo. Este método se denomina cripto-shredding . Un ejemplo de implementación de este método se puede encontrar en los dispositivos iOS , donde la clave criptográfica se guarda en un « almacenamiento borrable » dedicado. ^{[ 30 ]} Dado que la clave se almacena en el mismo dispositivo, esta configuración por sí sola no ofrece una protección completa de la privacidad o la seguridad si una persona no autorizada obtiene acceso físico al dispositivo.

El cifrado, por sí solo, puede proteger la confidencialidad de los mensajes, pero aún se necesitan otras técnicas para proteger su integridad y autenticidad; por ejemplo, la verificación de un código de autenticación de mensajes (MAC) o una firma digital , generalmente realizada mediante un algoritmo hash o una firma PGP . Los algoritmos de cifrado autenticado están diseñados para proporcionar tanto cifrado como protección de la integridad simultáneamente. Existen estándares ampliamente disponibles para el software y hardware criptográfico que realizan el cifrado , pero utilizarlo con éxito para garantizar la seguridad puede ser un problema complejo. Un solo error en el diseño o la ejecución del sistema puede permitir ataques exitosos. A veces, un adversario puede obtener información sin cifrar sin deshacer directamente el cifrado. Véase, por ejemplo, el análisis de tráfico , TEMPEST o el caballo de Troya . ^{[ 45 ]}

Los mecanismos de protección de la integridad, como los MAC y las firmas digitales, deben aplicarse al texto cifrado en el momento de su creación, normalmente en el mismo dispositivo utilizado para componer el mensaje, para protegerlo de extremo a extremo a lo largo de toda su ruta de transmisión; de lo contrario, cualquier nodo entre el remitente y el agente de cifrado podría manipularlo. El cifrado en el momento de la creación solo es seguro si el dispositivo de cifrado dispone de las claves correctas y no ha sido manipulado. Si un dispositivo de punto final se ha configurado para confiar en un certificado raíz controlado por un atacante, por ejemplo, este puede inspeccionar y manipular los datos cifrados mediante un ataque de intermediario (man-in-the-middle) en cualquier punto de la ruta del mensaje. La práctica común de interceptación TLS por parte de los operadores de red representa una forma controlada y sancionada institucionalmente de este tipo de ataque, pero algunos países también han intentado emplearlo como forma de control y censura. ^{[ 46 ]}

Incluso cuando el cifrado oculta eficazmente el contenido de un mensaje y evita su manipulación, la longitud del texto cifrado sigue siendo una forma de metadatos que puede filtrar información confidencial. Por ejemplo, los conocidos ataques CRIME y BREACH contra HTTPS explotaron la filtración de información a través de la longitud del mensaje cifrado como un ataque de canal lateral . ^{[ 47 ]} El análisis de tráfico, en términos más generales, se refiere a técnicas que utilizan metadatos —como el tamaño y la sincronización de los mensajes— para inferir información sobre los patrones de comunicación.

Aplicar relleno a un mensaje antes del cifrado puede ayudar a ocultar su longitud real en texto plano, aunque esto aumenta el tamaño del texto cifrado y añade sobrecarga de ancho de banda . El relleno se puede aplicar de forma aleatoria o determinista , y cada enfoque implica diferentes ventajas y desventajas. Cifrar y rellenar datos para producir blobs aleatorios uniformes rellenos (PURB) garantiza que el texto cifrado no revele metadatos sobre la estructura del texto plano , filtrando solo información mínima asintótica.${\displaystyle O(\log \log M)}$información a través de su longitud. ^{[ 48 ]}