Función de esponja

En criptografía , una función de esponja o una construcción de esponja es cualquiera de una clase de algoritmos con un estado interno finito que toman un flujo de bits de entrada de cualquier longitud y producen un flujo de bits de salida de cualquier longitud deseada. Las funciones de esponja tienen usos tanto teóricos como prácticos. Se pueden utilizar para modelar o implementar muchas primitivas criptográficas , incluidos hashes criptográficos , códigos de autenticación de mensajes , funciones de generación de máscaras , cifrados de flujo , generadores de números pseudoaleatorios y cifrado autenticado . ^[1]

Una función de esponja se construye a partir de tres componentes: ^[2]

• una memoria de estado, S , que contiene b bits,
• una función${\displaystyle f:\{0,1\}^{b}\rightarrow \{0,1\}^{b}}$
• una función de relleno P

S se divide en dos secciones: una de tamaño r (la tasa de bits) y la parte restante de tamaño c (la capacidad). Estas secciones se denominan R y C respectivamente.

f produce una permutación pseudoaleatoria de los estados de S . ${\estilo de visualización 2^{b}}$

P añade suficientes bits a la cadena de entrada para que la longitud de la entrada rellenada sea un múltiplo entero de la tasa de bits, r . Esto significa que la entrada se segmenta en bloques de r bits.

La función de esponja "absorbe" (en la metáfora de la esponja ) todos los bloques de una cadena de entrada rellena de la siguiente manera:

• S se inicializa a cero
• para cada bloque B de r bits de P (cadena)
  • R se reemplaza con R XOR B (usando XOR bit a bit )
  • S se reemplaza por f ( S )

La salida de la función esponja ahora está lista para ser producida ("exprimida") de la siguiente manera:

• repetir
  • generar la porción R de S
  • S se reemplaza por f ( S ) a menos que la salida esté completa

Si quedan menos de r bits por emitir, entonces R se truncará (solo se emitirá una parte de R ).

Otra metáfora describe la memoria de estado como un " depósito de entropía ", con la entrada "vertida" en el depósito, y la función de transformación a la que se hace referencia como "revolver el depósito de entropía". ^[3]

Tenga en cuenta que los bits de entrada nunca se transfieren mediante XOR a la parte C de la memoria de estado, ni tampoco se transfieren bits de C directamente a la salida. El grado en que C se altera por la entrada depende completamente de la función de transformación f. En aplicaciones hash, la resistencia a los ataques de colisión o preimagen depende de C , y su tamaño (la "capacidad" c ) es típicamente el doble del nivel de resistencia deseado.

También es posible absorber y comprimir de forma alternada. ^[1] Esta operación se denomina construcción dúplex o duplexación. Puede ser la base de un sistema de cifrado autenticado de una sola pasada.

• El estado S se inicializa a cero
• para cada bloque B de r bits de la entrada
  • R se combina con B mediante XOR
  • S se reemplaza por f ( S )
  • R ahora es un bloque de salida de tamaño r bits.

Es posible omitir las operaciones XOR durante la absorción, manteniendo al mismo tiempo el nivel de seguridad elegido . ^[1] En este modo, en la fase de absorción, el siguiente bloque de la entrada sobrescribe la parte R del estado. Esto permite mantener un estado más pequeño entre los pasos. Dado que la parte R se sobrescribirá de todos modos, se puede descartar de antemano, solo se debe mantener la parte C.

Las funciones de esponja tienen usos tanto teóricos como prácticos. En el criptoanálisis teórico, una función de esponja aleatoria es una construcción de esponja donde f es una permutación o transformación aleatoria, según corresponda. Las funciones de esponja aleatorias capturan más de las limitaciones prácticas de las primitivas criptográficas que el modelo de oráculo aleatorio ampliamente utilizado , en particular el estado interno finito. ^[4]

La construcción de la esponja también se puede utilizar para construir primitivas criptográficas prácticas. Por ejemplo, la esponja criptográfica Keccak con un estado de 1600 bits ha sido seleccionada por el NIST como ganadora en la competencia SHA-3 . La fortaleza de Keccak deriva de la intrincada permutación de múltiples rondas f que desarrollaron sus autores. ^[5] El rediseño RC4 llamado Spritz hace referencia a la construcción de la esponja para definir el algoritmo.

Para otros ejemplos, se puede utilizar una función de esponja para crear un cifrado autenticado con datos asociados (AEAD), ^[3] así como esquemas de hash de contraseñas . ^[6]