Entropía (computación)

En informática , la entropía es la aleatoriedad que un sistema operativo o aplicación recopila para su uso en criptografía u otras aplicaciones que requieren datos aleatorios. Esta aleatoriedad suele obtenerse de fuentes de hardware (variaciones en el ruido del ventilador o del disco duro), ya sean preexistentes, como los movimientos del ratón, o mediante generadores de aleatoriedad específicos. La falta de entropía puede tener un impacto negativo en el rendimiento y la seguridad.

El núcleo de Linux genera entropía a partir de los tiempos de pulsación del teclado , los movimientos del ratón y los tiempos de la electrónica de unidades integradas (IDE), y pone los datos de caracteres aleatorios a disposición de otros procesos del sistema operativo a través de los archivos especiales /dev/random y /dev/urandom. Esta capacidad se introdujo en la versión 1.3.30 de Linux. ^{[ 1 ]}

Existen algunos parches del kernel de Linux que permiten utilizar más fuentes de entropía. ^{[ 2 ]} El proyecto audio_entropyd, ^{[ 3 ]} incluido en algunos sistemas operativos como Fedora , permite utilizar datos de audio como fuente de entropía. ^{[ 4 ]} También están disponibles video_entropyd, ^{[ 5 ]} que calcula datos aleatorios a partir de una fuente de vídeo y entropybroker, ^{[ 6 ]} que incluye estos tres y puede utilizarse para distribuir los datos de entropía a sistemas que no pueden ejecutar ninguno de ellos (por ejemplo, máquinas virtuales ). Además, se puede utilizar el algoritmo HAVEGE a través de haveged para agrupar la entropía. ^{[ 7 ]} En algunos sistemas, las interrupciones de red también pueden utilizarse como fuente de entropía. ^{[ 8 ]}

OpenBSD ha integrado la criptografía como uno de sus objetivos principales y siempre ha trabajado para aumentar su entropía, tanto para el cifrado como para la aleatorización de muchas partes del sistema operativo, incluyendo diversas operaciones internas de su núcleo. Alrededor de 2011, se eliminaron dos de los dispositivos aleatorios y se conectaron a una única fuente, ya que esta podía generar cientos de megabytes por segundo de datos aleatorios de alta calidad en un sistema promedio. Esto redujo significativamente la probabilidad de que los programas de usuario en OpenBSD agotaran los datos aleatorios una vez que se había acumulado suficiente entropía.

Se ha puesto a disposición para el kernel de Hurd un controlador portado del kernel de Linux . ^{[ 9 ]}

/dev/random y /dev/urandom han estado disponibles como paquetes o parches de Sun para Solaris desde Solaris 2.6, ^{[ 10 ]} y han sido una característica estándar desde Solaris 9. ^{[ 11 ]} A partir de Solaris 10, los administradores pueden eliminar las fuentes de entropía existentes o definir otras nuevas a través del marco criptográfico a nivel del kernel.

También está disponible un módulo del kernel de terceros que implementa /dev/random para versiones que datan de Solaris 2.4. ^{[ 10 ]}

Existe un paquete de software para OS/2 que permite a los procesos de software recuperar datos aleatorios. ^{[ 12 ]}

Las versiones de Microsoft Windows posteriores a Windows 95 utilizan CryptoAPI para recopilar entropía de una manera similar a /dev/random del kernel de Linux. ^{[ 13 ]}

La CryptoAPI de Windows utiliza la clave de registro binaria HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Microsoft\Cryptography\RNG\Seed para almacenar un valor inicial de todas sus fuentes de entropía. ^{[ 14 ]}

Debido a que CryptoAPI es de código cerrado , algunas aplicaciones de software libre y de código abierto que se ejecutan en la plataforma Windows utilizan otras medidas para obtener aleatoriedad. Por ejemplo, GnuPG, a partir de la versión 1.06, utiliza diversas fuentes, como la cantidad de bytes libres en la memoria, que, combinadas con una semilla aleatoria, generan la aleatoriedad deseada. ^{[ 15 ]}

Los programadores que utilizan CAPI pueden obtener la entropía llamando a CryptGenRandom () de CAPI, después de inicializarla correctamente. ^{[ 16 ]}

CryptoAPI quedó obsoleto a partir de Windows Vista y versiones posteriores. La nueva API se llama Cryptography API: Next Generation (CNG). ^{[ 17 ]} La CNG de Windows utiliza la clave de registro binaria HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\RNG\Seed para almacenar un valor inicial.

Las versiones más recientes de Windows pueden utilizar diversas fuentes de entropía:

• TPM si está disponible y habilitado en la placa base
• Entropía de la interfaz UEFI (si se arranca desde UEFI) ^{[ 18 ]}
• Instrucción de CPU RDRAND si está disponible
• Reloj del sistema de hardware ( RTC )
• Contenido de la tabla ACPI de OEM0
• Tiempos de interrupción
• Sincronización del teclado y movimientos del ratón ^{[ 19 ]}

Los sistemas embebidos pueden tener dificultades para acumular suficiente entropía, ya que suelen ser dispositivos sencillos con tiempos de arranque cortos, y las operaciones de generación de claves que requieren suficiente entropía suelen ser una de las primeras cosas que un sistema puede hacer. Es posible que no existan fuentes comunes de entropía en estos dispositivos, o que no hayan estado activas el tiempo suficiente durante el arranque para generar suficiente entropía. Los dispositivos embebidos a menudo carecen de discos duros, interfaces de usuario e incluso ventiladores, y la interfaz de red, si la hay, no habrá estado activa el tiempo suficiente para proporcionar mucha entropía. Al carecer de un acceso fácil a la entropía, algunos dispositivos pueden usar claves codificadas para inicializar generadores aleatorios, o inicializar generadores aleatorios a partir de identificadores únicos fáciles de adivinar, como la dirección MAC del dispositivo . Un estudio sencillo ^{[ 20 ]} demostró el uso generalizado de claves débiles al encontrar muchos sistemas embebidos, como enrutadores, que utilizaban las mismas claves. Se pensó que la cantidad de claves débiles encontradas habría sido mucho mayor si no se hubieran incorporado a la entropía de algunos de estos sistemas identificadores únicos de un solo uso, simples y a menudo determinables por un atacante. ^{[ 21 ]}

Un generador de números aleatorios verdaderos (TRNG) puede ser un servicio (des)centralizado. Un ejemplo de un sistema centralizado donde se puede obtener un número aleatorio es el servicio de baliza de aleatoriedad del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología . La plataforma Cardano utiliza a los participantes de su protocolo de prueba de participación descentralizado para generar números aleatorios. ^{[ 22 ]}

Hay algunos paquetes de software que permiten usar un proceso de espacio de usuario para recopilar caracteres aleatorios, exactamente lo que hace /dev/random, como EGD, el demonio de recolección de entropía. ^{[ 23 ]}

Las CPU y el hardware modernos suelen incluir generadores integrados que pueden proporcionar entropía de alta calidad y alta velocidad a los sistemas operativos. En sistemas basados ​​en el kernel de Linux , se puede leer la entropía generada por dicho dispositivo a través de /dev/hw_random. ^{[ 24 ]} Sin embargo, a veces /dev/hw_random puede ser lento; ^{[ 25 ] [ 26 ]}

Hay algunas empresas que fabrican dispositivos de generación de entropía, y algunos de ellos se distribuyen con controladores para Linux. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

En sistemas Linux, se puede instalar el paquete rng-tools ^{[ 29 ]} que admite los generadores de números aleatorios verdaderos (TRNG) presentes en las CPU que admiten la instrucción RDRAND , los módulos de plataforma segura y algunos chipsets de Intel , AMD o VIA ^{[ 30 ]} , lo que aumenta la entropía acumulada en /dev/random y mejora potencialmente el potencial criptográfico. Esto resulta especialmente útil en sistemas sin interfaz gráfica que no disponen de otras fuentes de entropía.

Los administradores de sistemas , especialmente aquellos que supervisan servidores de Internet, deben asegurarse de que los procesos del servidor no se detengan debido al agotamiento de la entropía. La entropía en los servidores que utilizan el kernel de Linux, o cualquier otro kernel o proceso de espacio de usuario que genere entropía desde la consola y el subsistema de almacenamiento, suele ser deficiente debido a la falta de un ratón y un teclado; por lo tanto, los servidores tienen que generar su entropía a partir de un conjunto limitado de recursos, como los tiempos del IDE.

El tamaño del pool de entropía en Linux se puede ver a través del archivo /proc/sys/kernel/random/entropy_avail y generalmente debería ser de al menos 2000 bits (de un máximo de 4096). ^{[ 31 ] [ 32 ]} La entropía cambia con frecuencia.

Los administradores responsables de sistemas con entropía baja o nula no deben intentar usar /dev/urandom como sustituto de /dev/random, ya que esto puede provocar que las conexiones SSL/TLS tengan un cifrado de menor nivel. ^{[ 33 ]}

Algunos sistemas de software cambian sus claves Diffie-Hellman con frecuencia, y esto puede, en algunos casos, ayudar a que un servidor continúe funcionando normalmente incluso con un cuello de botella de entropía. ^{[ 34 ]}

En servidores con baja entropía, un proceso puede parecer bloqueado cuando espera a que aparezcan caracteres aleatorios en /dev/random (en sistemas basados ​​en Linux). Por ejemplo, existía un problema conocido en Debian que provocaba que exim4 se bloqueara en algunos casos debido a esto. ^{[ 35 ]}

Las fuentes de entropía más utilizadas incluyen el ratón, el teclado y los tiempos del IDE, pero existen otras fuentes potenciales. Por ejemplo, se podría obtener entropía del micrófono del ordenador o mediante la construcción de un sensor para medir la turbulencia del aire dentro de una unidad de disco . ^{[ 38 ]}

Para derivados de Unix/BSD existe una solución basada en USB que utiliza una CPU ARM Cortex para filtrar/asegurar el flujo de bits generado por dos fuentes generadoras de entropía en el sistema. ^{[ 39 ]}

Cloudflare utiliza una transmisión de imágenes de un estante de 80 lámparas de lava como fuente adicional de entropía. ^{[ 40 ]}

• Entropía (teoría de la información)
• Entropía
• Aleatoriedad

• Descripción general de la entropía y de los generadores de entropía en Linux