Cap I - Introduccion a La Criptografia

Criptografa

ESCUELA SUPERIOR

POLITECNICA DE CHIMBORAZO

Maestra en Seguridad Telemtica

Cap. I

Introduccin a la

Criptografa

Criptografa

Agenda

Definicin de la Criptografa

Seguridad de un Sistema

Aplicaciones de Criptografa

Hitos histricos de la criptografa

Sistemas de cifrado

Clasificacin de los cripsostemas

Cifrado de clave privada y clave pblica

Gestin de claves de sistemas de cifrado

Sistemas de cifrado hbridos

Definicin de Criptografa

Las races etimolgicas de la palabra criptografa son:

kriptos, que significa oculto, y

graphos, que se traduce como escribir,

Lo que da una clara idea de su definicin clsica:

Arte de escribir mensajes en clave secreta o enigmticamente.

Fue considerada un arte

Hasta que Shannon public en 1949 la Teora de las comunicaciones secretas. Entonces la criptografa empez a ser considerada una ciencia aplicada

Parte 1

Definicin de Criptografa

Las Rama inicial de las Matemticas y en la actualidad tambin de la Informtica y la Telemtica, que hace uso de mtodos y tcnicas con el objeto principal de cifrar, y por tanto proteger, un mensaje o archivo por medio de un algoritmo, usando una o ms claves.

Parte 2

Rami, J. O. R. G. E. (2006). Libro electrnico de seguridad informtica y criptografa. Versin, 4, 1.

Definicin de Criptografa Parte 3

Cristologa: ciencia que estudia e investiga todo aquello relacionado con la criptografa: incluye cifra y criptoanlisis.

Criptgrafo: mquina o artilugio para cifrar.

Criptlogo: persona que trabaja de forma legtima para proteger la informacin creando algoritmos criptogrficos.

Criptoanalista: persona cuya funcin es romper algoritmos de cifra en busca de debilidades, la clave o del texto en claro.

Texto en claro: documento original. Se denotar como M.

Criptograma: documento/texto cifrado. Se denotar como C.

Claves: datos (llaves) privados/pblicos que permiten cifrar un documento y descifrar el correspondiente criptograma.

La Seguridad de un sistema Parte 1

Interrupcin

Interceptacin

Modificacin

Generacin

Interrupcin Interceptacin

Flujo Normal

Modificacin Generacin

La seguridad de un sistema son influenciadas por las amenazas.

Las amenazas afectan principalmente al hardware, al software y a los datos. stas se deben a fenmenos de:


Interrupcin

Intercepcin

Modificacin

Produccin


Integridad Los componentes del

sistema slo pueden ser creados y modificados por los usuarios autorizados.

Disponibilidad Los usuarios deben tener

disponibles todos los componentes del sistema cuando as lo deseen.

Objetivos de la seguridad informtica:

Confidencialidad Los componentes del sistema sern accesibles slo por

aquellos usuarios autorizados.


Otros objetivos de la seguridad informtica:

No repudio Ofrece proteccin a un usuario frente a otro usuario que

niegue posteriormente que en realidad se realiz cierta comunicacin.

Control de acceso Requiere que el acceso a los recursos (informacin,

capacidad de clculo, nodos de comunicaciones, entidades fsicas, etc.) sea controlado y limitado por el sistema

destino.

Autenticidad Requiere una identificacin correcta del origen del

mensaje, asegurando que la entidad no es falsa.

Mecanismos de seguridad

Intercambio de autenticacin: corrobora que una entidad, ya sea origen o destino de la informacin, es la deseada. (Contraseas, Certificados ...)

Cifrado: garantiza que la informacin no es inteligible para individuos, entidades o procesos no autorizados. (Cifrado de datos con AES ...)

Integridad de datos: para verificar que los datos no han sido modificados en el trayecto (Hash o resumen de un mensaje).

Firma digital: se enviar junto con los datos ordinarios, garantizar la autenticidad y el no repudio de los datos

Unicidad: consiste en aadir a los datos un nmero de secuencia, la fecha y hora, un nmero aleatorio, o alguna combinacin de los anteriores, que se incluyen en la firma digital o integridad de datos para darnos la unicidad en el tiempo.

Aplicaciones de la Criptografa

Comunicaciones Seguras:

Trfico de la web: HTTPS

Trfico de la Wireless: 802.11i WPA2 (and WEP), GSM, Bluetooth

Cifrado de archivos en disco duros: EFS, TrueCrypt

Proteccin de contenidos (Ejs. DVD, Blu-ray)

Autentificacin de usuarios

Firmas digitales

Comunicacin annima

Hitos histricos de la Criptografa

El primer uso de la escritura secreta de que se tiene constancia data del siglo v a. C., durante la guerra entre Atenas y Esparta. el cifrado conocido como esctala se basaba nicamente en la alteracin del mensaje mediante la escritura de los smbolos.

poca de los romanos. El cifrado en ese caso consista en una sustitucin de determinados smbolos por otros segn una regla fija.

En el siglo XIV la obra ms antigua que existe sobre criptografa. Se titula Lber Zifrorum y su autor, Cicco Simoneta.

Parte 1

Hitos histricos de la Criptografa

En el siguiente siglo, Alberti (1404-1472) destaca en el campo del criptoanlisis, siendo considerado por ello el padre de la cristologa

El mayor desarrollo de la criptologa tuvo lugar durante las dos guerras mundiales.

En la primera guerra fue fundamental la ruptura por parte de los aliados britnicos del conocido como telegrama Zimmermann.

En la segunda guerra mundial, la mquina de cifrado alemana Enigma fue rota por la oficina criptoanaltica britnica capitaneada por el matemtico Alan Turing

Parte 2

Medio deTransmisor Transmisin Receptor

M C

Cifrador Mensaje cifrado Descifrador

Interceptacin del mensaje

por un intruso

T RMT

C M

Sea cual sea el medio de transmisin (enlace, red telefnica, red de

datos, disco magntico, disco ptico, etc.) ste ser siempre y por

definicin inseguro y habr que adaptarse a este medio. Esto podra

dejar de ser cierto en los futuros sistemas con criptografa cuntica.

Usurpacin de identidad

por un intruso

Sistema de cifrado Parte 1

Texto TransmisorTexto cifrado

ReceptorBase Base

Canal inseguro

Clave

Cifrador Descifrador

Texto

Un espacio de Textos en Claro M

Un espacio de Textos Cifrados C

Un espacio de Claves K

Unas transformaciones de Cifrado EK(M) y de Descifrado DK (C)

M MC

K Clave K

Sistema de cifrado - esquema Parte 2

C = E(M)

M = D(C)

M = D(E(M))

Si se usa una clave k:

C = E(k,M) o Ek(M)

M = D(k, E(k,M))

M = D(kD, E(kE,M))

Las operaciones D y E son

inversas o bien lo son las

claves que intervienen. Esto

ltimo es lo ms normal, con

los inversos dentro de un

cuerpo finito. Por lo tanto, se

recupera el mensaje en claro.

E: Cifrado del mensaje M

D: Descifrado del criptograma C

En este ltimo caso los algoritmos E y D son iguales

Sistema de cifrado - funciones y operaciones Parte 3

M = {m1, m2, ..., mn}Est muy claro que esto

es un texto en claro...

Componentes de un mensaje inteligible (bits, bytes, pixels, signos, caracteres, etc.) que provienen de un alfabeto previamente establecido como en el ejemplo.

El lenguaje tiene unas reglas sintcticas y semnticas.

En algunos casos y para los sistemas de cifra clsicos la longitud del alfabeto indicar el mdulo en el cual se trabaja. En los modernos, no guarda relacin.

Habr mensajes con sentido y mensajes sin sentido

Sistema de cifrado - Espacio de mensajes M Parte 4

Normalmente el alfabeto es el mismo que el utilizado para crear el mensaje en claro.

Supondremos que el espacio de los textos cifrados C y el espacio de los mensaje M (con y sin sentido) tienen igual magnitud.

En este caso, a diferencia del espacio de mensajes M, sern vlidos todo tipo de criptogramas.

C = {c1, c2, ..., cn}VjbmljYSB3kZSBNYWRy+

WQgQ0ExLTAr8BgN...

Sistema de cifrado - Espacio de criptogramas CParte 5

Si el espacio de claves K es tan grande como el de los mensajes M, se obtendr un criptosistema con secreto perfecto.

Se supone que es un conjunto altamente aleatorio de caracteres, palabras, bits, bytes, etc., en funcin del sistema de cifrado. Al menos una de las claves en un criptosistemase guardar en secreto.

K = {k1, k2, ..., kn}

Parte 6Sistema de cifrado - Espacio de claves K

Ek es una aplicacin con una clave k, que est en el espacio de claves K, sobre el mensaje M y que lo transforma en el criptograma C.

Es el algoritmo de cifrado. Slo en algunos sistemas clsicos el algoritmo es secreto. Por lo general el algoritmo de cifra ser de dominio pblico y su cdigo fuente debera estar disponible en Internet.

Ek: M C k K

Sistema de cifrado - transformaciones cifradoParte 7

Dk es una aplicacin con una clave k, que est en el espacio de claves K, sobre el criptograma C y que lo transforma en el texto en claro M.

Se usa el concepto de inverso. Dk ser la operacin inversa de Ek o bien -que es lo ms comn- se usa la misma transformacin Ek para descifrar pero con una clave k que es la inversa de k dentro de un cuerpo.

Dk: C M k K

Sistema de cifrado - transformaciones descifradoParte 8

Dk(Ek(P)) = P

E y D son slo funciones matemticas parametrizadascon la clave k

Estas funciones E( ) y D( ) son conocidas por elcriptoanalista, pero no la clave.

1.- La cantidad de esfuerzo necesario para inventar, probar e instalarun mtodo nuevo (funciones E y D) cada vez que el viejo esconocido hace impracticable mantenerlo en secreto.

2.- Este mtodo de cifrado con claves, permite cambiar fcilmentede mtodo de cifrado simplemente con cambiar la clave

Sistema de cifrado - Cifrado y Descifrado Parte 9

Algoritmo de cifrado y descifrado rpido y fiable.

Posibilidad de transmitir ficheros por una lnea de datos, almacenarlos o transferirlos.

No debe existir retardo debido al cifrado o descifrado.

La seguridad del sistema deber residir solamente en el secreto de una clave y no de las funciones de encriptacin.

La fortaleza del sistema se entender como la imposibilidad computacional (tiempo de clculo en aos que excede cualquier valor razonable) de romper el criptograma o encontrar la clave secreta a partir de otros datos de carcter pblico.

Sistema de cifrado - Requisitos de criptosistemaParte 10

Fortaleza de la cifra

Conociendo el algoritmo de cifra, el criptoanalista intentar romper la cifra en uno de estos escenarios:

1. Contando nicamente con el criptograma.

2. Contando con texto en claro conocido.

3. Eligiendo un texto en claro.

4. A partir de texto cifrado elegido.

ATAQUE POR FUERZA BRUTA

5. Buscando todas combinaciones posibles de claves.

Un algoritmo de cifra ser fuerte si, conociendo su funcionamiento o cdigo, conociendo el texto cifrado y conociendo el texto en claro, el ataque a la clave de cifra secreta es computacionalmente muy difcil.

Clasificacin de los Criptosistemas

Sistemas de cifra: Sustitucin vs. Transposicin Clasificacin de acuerdo al tipo de

operacin.

Sistemas de cifra: en bloque versus en flujo Clasificacin de acuerdo a cmo

se produce la cifra.

Sistemas con clave: secreta vs. pblica Clasificacin de acuerdo al uso de una nica clave secreta

(sistemas simtricos) o bien dos claves, una de ellas pblica y la otra privada (sistemas asimtricos).

Parte 1

Clasificacin de los Criptosistemas Parte 2

CIFRADO POR SUSTITUCION:

Este mtodo consiste en desplazar (a derecha o izquierda) el alfabeto de texto cifrado k letras, siendo k la clave de cifrado. E descifrado es invertir el desplazamiento.

CIFRADO POR TRANSPOSICION:

Los cifrados por transposicin reordenan las letras. La clave k, se utiliza para reordenar las columnas del texto normal, de forma que el texto cifrado se obtiene leyendo el texto normal con la ordenacin determinada por la clave.


CIFRADO EN BLOQUE:

El mismo algoritmo de cifra se aplica a un bloque de informacin (grupo de caracteres, nmero de bytes, etc.) repetidas veces, usando la misma clave. El bloque de texto o informacin a cifrar normalmente ser de 64 128 bits.

CIFRADO EN FLUJO:

El algoritmo de cifra se aplica a un elemento de informacin (carcter, bit) mediante un flujo de clave en teora aleatoria y de mayor longitud que el mensaje. La cifra se hace carcter a carcter o bit a bit.

CIFRADO EN BLOQUE

Ventajas: Desventajas:

* Alta difusin de los elementos * Baja velocidad de cifrado al tener

en el criptograma. que leer antes el bloque completo.

* Inmune: imposible introducir * Propenso a errores de cifra. Un

bloques extraos sin detectarlo. error se propagar a todo el bloque.

CIFRADO EN FLUJO

Ventajas: Desventajas:

* Alta velocidad de cifra al no * Baja difusin de elementos en el

tener en cuenta otros elementos. criptograma.

* Resistente a errores. La cifra es * Vulnerable. Pueden alterarse los

independiente en cada elemento. elementos por separado.


En el cifrado de clave privada las claves de cifrado y descifrado son la misma (o bien se deriva de forma directa una de la otra), debiendo mantenerse en secreto dicha clave. Ejemplos:

DES (Data Encryption Standard) y T-DES (o 3DES)

IDEA (International Data Encryption Algorithm)

AES (Advanced Encryption Standard) o Rijndael

En el cifrado de clave pblica, las claves de cifrado y descifrado son independientes, no derivndose una de la otra, por lo cual puede hacerse pblica la clave de cifrado siempre que se mantenga en secreto la clave de descifrado. Ejemplo:

Cifrado RSA (Rivest, Shamir, Adleman)

Cifrado de clave privada y pblica Parte 1

Mensaje cifrado

Medio deClave Transmisin Clave

M C

Texto TextoBase

Base

Cifrado DescifradoMTMC

Cifrado: Ek Descifrado: Dk

Ek Dk

k k

Clave nica

Cifrado con clave privada

El problema es cmo hacerla llegar al destino

Parte 2

Medio de

Transmisor Transmisin ReceptorM C

Cifrador Mensaje cifrado Descifrador

T RMT

C M

Usurpacin de identidad

por un intruso (I)

Interceptacin del mensaje

por un intruso (I)

Cualquier medio de transmisin es inseguro

Integridad

Confidencialidad

Estos dos principios de la seguridad informtica, el de la

confidencialidad y la integridad, (adems de la disponibilidad y

el no repudio) sern muy importantes en un sistema de

intercambio de informacin segura a travs de Internet.

Cifrado con clave privada Parte 3

protegida

Buscamos la

confidencialidad

Medio de

k Transmisin kM

C

Texto TextoBase Base

M no permitido

EK MTDK

MCDK

El criptoanalista no podr descifrar el criptograma C o

cualquier otro texto cifrado bajo la transformacin EK.

intruso

Criptograma

Protegemos el

extremo receptor

Cifrado con clave privada - Confidencialidad Parte 4

protegida

Buscamos la

integridad

Medio de

k Transmisin kM

C

Texto TextoBase Criptograma Base

C no permitido

EK MTDK

MC

EK

El criptoanalista no podr cifrar un texto en claro M y

enviarlo al destinatario como C = EK(M).

intruso

Hola... soy Paquito!

Protegemos ahora el extremo emisor

Cifrado con clave privada - Integridad Parte 5

protegida

Medio de

k Transmisin kM

C

Texto TextoBase Criptograma Base

C no permitido

EK MTDK

MC

EK

Hola... soy Paquito! M no permitido

protegida

DK

ConfidencialidadIntegridad

La confidencialidad y la integridad se lograrn

simultneamente si se protege la clave secreta.

Era algo obvio

Cifrado con clave privada - resumen Parte 6

protegida

Buscamos la

confidencialidad

Medio declave pblica de B

Transmisin

M

C


M no permitido

EB MTDB M

CDB

intruso

Criptograma

clave privada de B

Observe que se cifra con la clave pblica del usuario receptor

Usuario A Usuario B

C = EB(M)

M = DB(C) = DB(EB(M))

EB y DB son operaciones

inversas dentro de un cuerpo

Cada usuario usa dos funciones: una pblica EX y otra privada DX.

Cifrado con clave pblica - Confidencialidad Parte 1

Usada en intercambio RSA

Medio declave privada de A

Transmisin

M

C


DA MT EA MC

DA

Criptograma

clave pblica de A

Observe que se cifra con la clave privada del usuario emisor

Usuario A Usuario B

C = DA(M)

M = EA(C) = EA(DA(M))DA y EA son operaciones

inversas dentro de un cuerpo

protegida

Buscamos la

integridad

C no permitido

intruso

Hola... soy Paquito

otra vez!

Cifrado con clave pblica - Integridad Parte 2

Usada en Firma digital RSA

C = EB(DA(M)) Cifrado del mensaje con firma digital

M = EA(DB(C)) Descifrado y comprobacin de firma

K privada

de A

MC

Confidencialidad

Usuario A Usuario B

Integridad

DB EAEBDA

K privada

de BK pblica

de B

K pblica

de A

DA

La integridad y la confidencialidad se

obtendrn ahora por separado ...

M

Esta caracterstica

ser muy importante

DB

Cifrado con clave pblica - Resumen Parte 3

Gestin de claves sistemas de cifra Parte 1

A

ED

C

B

kAB

kAC

kBC

kAD

kBD

kCD

kAE

kBE

kCE

kDE

X YkXY

kYX

Nmero Claves:

n (n-1) / 2

2 usuarios: N = 1

3 usuarios: N = 3

4 usuarios: N = 6

5 usuarios: N = 10

Definicin previa:

N = n de claves

Muy mala gestin de claves: el valor tiende a n2.

Clave secreta

kxy = kyx

Gestin de claves sistemas de cifra Parte 2

A

ED

C

B

kPr.A

kPu.C

kPu.A

kPr.B

kPr.D

kPu.E

kPu.B

kPr.C

kPu.D

X YkPu.X

Nmero Claves:

n * 2

2 usuarios: N = 4

3 usuarios: N = 6

4 usuarios: N = 8

5 usuarios: N = 10

Definicin previa:

N = n de claves

Buena gestin de claves: el valor tiende a n*2.

Clave Pblica

kPu.X kPu.Y

kPr.E

kPr.X

kPr.Y

kPu.Y

Sistemas de cifra hbridos

Entonces los sistemas de clave pblica NO son la solucin a todos nuestros problemas.

Los mtodos de cifrado hibrido utilizan los sistemas de clave publica y privada.

Los algoritmos de clave publica son lentos en comparacin con algoritmos de clave privada, pero son una herramienta efectiva para distribuir claves de cifrado simtrico

Se utiliza la clave publica del destinatario para cifrar la clave simtrica, para luego utilizar la clave simtrica en el cifrado de los mensajes.

1. Un empleado poco satisfecho ha robado varios discos duros de muy

alta calidad con datos de la empresa. Qu importa ms, el costo de

esos discos o el valor de los datos? Justifique su respuesta.

2. En una empresa se comienza a planificar estrategias de acceso a las

dependencias, polticas de backup, de proteccin de los equipos ante

fuego, agua, etc. Eso es seguridad fsica o lgica? Por qu?

3. En nuestra empresa alguien usa software pirata. Es una amenaza de

interrupcin, interceptacin, modificacin o de generacin?

4. Una clave de sesin en Internet para proteger una operacin de cifra

dura 45 segundos. Si alguien intercepta el criptograma, debemos

preocuparnos si sabemos que la prxima vez la clave ser otra?

5. Si se prueban todas las combinaciones posibles de una clave para

romper un criptograma, qu tipo de ataque estamos realizando?

Ejercicios de repaso Parte 1

6. Si protegemos una clave en el extremo emisor, qu buscamos, la

confidencialidad o la integridad? Y si es en el extremo receptor?

7. Por qu en un sistema simtrico se obtiene la confidencialidad y la

integridad al mismo tiempo protegiendo la clave?

8. Explique qu significa que en un sistema de cifra asimtrica se

obtengan la confidencialidad y la integridad por separado.

9. Si se cifra un mensaje con la clave privada del emisor, qu se

obtiene? Y si el emisor cifra con la clave pblica del receptor?

10. Tiene sentido que el emisor cifre de forma asimtrica con su clave

pblica? Qu logramos con ello? Para qu servira?

11. Queremos comunicarnos 10 usuarios con un sistema de cifra de

clave secreta nica entre cada dos miembros. Cuntas claves sern

necesarias? Es eficiente el sistema? Y si hay un usuario ms?

Ejercicios de repaso Parte 2

Documents

Cap I - Introduccion a La Criptografia