El criptoanálisis (del griego kryptós, "escondido" y analýein, "desatar") es la parte de la criptología que se dedica al estudio de sistemas criptográficos con el fin de encontrar debilidades en los sistemas y romper su seguridad sin el conocimiento de información secreta. En el lenguaje no técnico, se conoce esta práctica como romper o forzar el código, aunque esta expresión tiene un significado específico dentro del argot técnico. A las personas que se dedican al criptoanálisis se llaman criptoanalistas.
Los métodos y técnicas del criptoanálisis han cambiado drásticamente a través de la historia de la criptografía, adaptándose a una creciente complejidad criptográfica. Los sistemas criptográficos han evolucionado desde los métodos de lápiz y papel del pasado, pasando por máquinas como Enigma -utilizada por los nazis durante la Segunda Guerra Mundial-, hasta llegar a los sistemas basados en computadoras del presente. Al aumentar la potencia de cálculo de los sistemas criptográficos, también los esquemas criptográficos han ido haciéndose más complejos. A mediados de los años 1970 se inventó una nueva clase de criptografía: la criptografía asimétrica. Los métodos utilizados para romper estos sistemas son por lo general radicalmente diferentes de los anteriores, y usualmente implican resolver un problema cuidadosamente construido en el dominio de la matemática pura. El ejemplo más conocido es la factorización de enteros.
Los resultados del criptoanálisis han cambiado también: ya no es posible tener un éxito ilimitado al romper un código, y existe una clasificación jerárquica de lo que constituye un ataque en la práctica.
La técnica del criptoanálisis se basa en buscar errores o algún error en el sistema para penetrarlo y hacer daños.
El objetivo del criptoanálisis es encontrar debilidades en los sistemas criptográficos que permitan elaborar ataques (ataques criptoanalíticos) que rompan su seguridad sin el conocimiento de información secreta. Para ello estudia en profundidad el diseño y propiedades de los sistemas criptográficos.
Por ejemplo para un sistema criptográfico de cifrado un estudio criptoanalítico puede consistir por ejemplo en conseguir la clave secreta o simplemente en acceder al texto en claro sin ni siquiera tener dicha clave. Sin embargo el criptoanálisis no solo se ocupa de los cifrados sino que su ámbito es más general estudiando los sistemas criptográficos con el objetivo de sortear la seguridad de otros tipos de algoritmos y protocolos criptográficos.
Sin embargo, el criptoanálisis suele excluir ataques que no tengan como objetivo primario los puntos débiles de la criptografía utilizada; por ejemplo, ataques a la seguridad que se basen en el soborno, la coerción física, el robo, el keylogging y demás, aunque estos tipos de ataques son un riesgo creciente para la seguridad informática, y se están haciendo gradualmente más efectivos que el criptoanálisis tradicional.
Para la consecución de su objetivo, de elaboración de ataques criptoanalíticos que 'rompan' la seguridad de los sistemas criptográficos, los criptoanalistas estudian los sistemas criptográficos con el objetivo de descubrir debilidades que se puedan aprovechar. Para ello estudian los sistemas desde distintos enfoques.
La teoría de la información proporciona herramientas para evaluar la seguridad de los sistemas criptográficos. Por ejemplo, en los sistemas de cifrado se estudia la entropía de la clave, de los criptogramas y de los mensajes en claro. Como el mensaje en claro suele estar expresado en idiomas humanos, también es interesante el estudio de su entropía y en especial su ratio de entropía.
Los criptoanalistas también estudian el secreto de los sistemas criptográficos. Por ejemplo, en los sistemas de cifrado estudian el grado de secreto caracterizando aquellos sistemas que tienen secreto perfecto a nivel teórico. De su estudio se concluye que el secreto perfecto requiere que el número de claves sea al menos tan grande como el número de mensajes. Esto es impracticable excepto para los llamados cifradores de libreta de un solo uso. En la práctica la mayor parte de los sistemas tienen claves finitas. Para caracterizar la seguridad de estos sistemas los criptoanalistas han desarrollado el concepto de distancia de unicidad que es el valor mínimo de caracteres cifrados que hacen que solo haya una clave posible que haya sido utilizada para obtener este criptograma. Para ello se aprovecha el concepto de la entropía condicional del conocimiento de la clave una vez conocido el texto cifrado.
Para un sistema de cifrado hay dos entropías condicionales interesantes desde el punto de vista del criptoanalista:
Para un sistema de cifrado hay una serie de entropías condicionales interesantes:
Supongamos
Entonces:
Se ha demostrado que se cumple la siguiente relación entre las distintas entropías:
De esta relación podemos sacar una conclusión:
Por ejemplo, la criptografía asimétrica emplea problemas matemáticos "duros" como base para su seguridad, así que un punto obvio de ataque es desarrollar métodos para resolver el problema. Los algoritmos asimétricos se diseñan en torno a la conjeturada dificultad de resolver ciertos problemas matemáticos. Si se encuentra un algoritmo mejorado que puede resolver el problema, el criptosistema se ve debilitado. Ejemplos:
Otra característica distintiva de los algoritmos asimétricos es que, a diferencia de los ataques sobre criptosistemas simétricos, cualquier criptoanálisis tiene la oportunidad de usar el conocimiento obtenido de la clave pública.
Los ataques criptoanalíticos consisten en la aplicación de estudios criptoanalíticos para explotar las debilidades de sistemas criptográficos y así 'romper' su seguridad.
Los ataques criptoanalíticos varían en potencia y en su capacidad de amenaza para los sistemas criptográficos. Se dice que un ataque explota una "debilidad certificacional" si es un ataque teórico que resulta improbable de aplicar en ninguna situación realista; Muchos de los resultados demostrados en la investigación criptoanalítica moderna son de este tipo.
Cada ataque tiene sus propiedades, las cuales lo caracterizan, y que hacen que ese ataque sea más o menos realizable.
No todos los ataques criptoanalíticos tienen como objetivo la ruptura total del sistema. El objetivo de un ataque criptoanalítico es obtener información desconocida sobre el sistema criptográfico de forma que se vaya debilitando su seguridad
Los ataques criptoanalíticos se puede clasificar en función de sus características.
Los ataques se pueden clasificar según la forma de actuar del atacante
En los ataques pasivos el atacante no altera la comunicación, solo la escucha o monitoriza, para obtener información. Por tanto este tipo de ataques suelen usar técnicas de escucha de paquetes(sniffing) y de análisis de tráfico. Son difíciles de detectar ya que no implican alteración de los datos. En algunos casos este tipo de ataques se pueden dificultar cifrando la información posible objetivo de escuchas.
Suponen alguna modificación del flujo de datos o la creación de flujos falsos. Hay muchas técnicas que se usan en este tipo de ataques. Ejemplos:
El criptoanálisis puede realizarse bajo una serie de supuestos sobre cuánto puede observarse o descubrirse sobre el sistema en cuestión antes de realizar el ataque. Como un punto de comienzo básico se supone que, para los propósitos del análisis, el algoritmo general es conocido; esta es la Máxima de Shannon, "el enemigo conoce el sistema". Este es un supuesto razonable en la práctica - a lo largo de la Historia, hay incontables ejemplos de algoritmos secretos que fueron conocidos mediante el espionaje, la traición y la ingeniería inversa. (En algunas ocasiones, algunos códigos han sido reconstruidos mediante la pura deducción, por ejemplo, el código Lorenz y el código PURPLE, así como una cierta cantidad de códigos clásicos.)
Otros supuestos se pueden categorizar como sigue:
Estos tipos de ataque difieren evidentemente en la plausibilidad de que ocurran en la práctica. Aunque algunos son más probables que otros, los criptógrafos suelen adoptar un enfoque conservador y asumir el peor caso imaginable cuando diseñan algoritmos, razonando que si un sistema es seguro incluso contra amenazas tan poco realistas, entonces debería resistir también al criptoanálisis en el mundo real.
Los supuestos en los que se basan estos ataques son a menudo más realistas de lo que podría parecer a primera vista. Para obtener un ataque con texto claro conocido, el criptoanalista podría muy bien conocer o ser capaz de inferir una parte que probablemente forma parte del texto claro, como por ejemplo el encabezamiento de una carta cifrada ("Estimado Sr."), o que el inicio de una sesión de ordenador contenga las letras "LOGIN". Un ataque de texto claro escogido es menos probable, pero en algunos casos puede ser plausible: por ejemplo, si convences a alguien para reenviar un mensaje que tú mismo le has mandado antes, pero en forma cifrada. Los ataques de clave relacionada son básicamente teóricos, aunque pueden ser realistas en ciertas situaciones, como por ejemplo al construir funciones hash criptográficas utilizando un cifrado por bloques.
Los resultados de un criptoanálisis también pueden variar en utilidad. Por ejemplo, el criptógrafo Lars Knudsen (Knudsen, 1998) clasificó varios tipos de ataque sobre cifrados por bloques de acuerdo con la cantidad y la calidad de la información secreta que pudiera ser descubierta:
Se pueden aplicar estas categorías a los ataques sobre otros tipos de algoritmos.
Los ataques se pueden categorizar por la cantidad de recursos que requieren. Estos pueden tomar la forma de:
En la criptografía académica, una debilidad o una ruptura en un algoritmo se definen de una manera bastante conservadora. Bruce Schneier resume esta posición de la siguiente manera: "Romper un cifrado simplemente significa encontrar una debilidad en el cifrado que puede ser explotada con una complejidad inferior a la de la fuerza bruta. No importa que la fuerza bruta pudiera requerir 2128 cifrados; un ataque que requiera 2110 cifrados se consideraría una ruptura... puesto de una manera simple, una ruptura puede ser tan sólo una debilidad certificacional: una evidencia de que el código no es tan bueno como se publicita" (Schneier, 2000).
Hay multitud de métodos de ataque criptoanalíticos. Estos se pueden clasificar en a si están especializado en algún tipo de criptografía o si son más generales. Los principales son los siguientes:
Los ordenadores cuánticos son potencialmente útiles para el criptoanálisis. Debido a que los estados cuánticos pueden existir en una superposición (es decir, estar entrelazados), es posible un nuevo paradigma computacional, en el que un bit no representa tan solo los estados 0 y 1, sino cualquier combinación lineal de estos. Peter Shor de los Laboratorios Bell probó la posibilidad, y varios equipos han demostrado uno u otro aspecto de la computación cuántica en los años transcurridos desde entonces. Por el momento, solo se ha demostrado una muy limitada prueba de posibles diseños. No hay, a fecha de 2006, una perspectiva creíble de un ordenador cuántico real y utilizable.
Sin embargo, de construirse un ordenador cuántico, muchas cosas cambiarían. La computación en paralelo sería probablemente la norma, y varios aspectos de la criptografía cambiarían.
En particular, dado que un ordenador cuántico sería capaz de realizar búsquedas de claves mediante fuerza bruta extremadamente rápidas, tamaños de clave considerados hoy en día más allá de los recursos de cualquier atacante por fuerza bruta quedarían al alcance de este ataque. Los tamaños de clave necesarios para quedar más allá de la capacidad de un ordenador cuántico serían considerablemente más grandes que los actuales. Algunos escritores de divulgación han declarado que ningún cifrado permanecería seguro de estar disponibles los ordenadores cuánticos. Otros aseguran que simplemente añadiendo bits a las longitudes de las claves se evitarán los ataques de fuerza bruta, incluso con ordenadores cuánticos.
Una segunda posibilidad es que el aumento en capacidad computacional pueda hacer posibles otros ataques de búsqueda de claves, más allá de la simple fuerza bruta, contra uno o varios de los algoritmos actualmente inexpugnables. Por ejemplo, no todo el progreso en la factorización mediante números primos se ha debido a una mejora de los algoritmos. Una parte se debe al incremento del poder computacional de los ordenadores, y la existencia de un ordenador cuántico en funcionamiento podría acelerar considerablemente las tareas de factorización. Este aspecto es bastante predecible, aunque no claramente. Lo que no puede ser anticipado es un avance en el campo teórico que requiera la computación cuántica, que pudiera hacer realizables ataques actualmente impracticables o incluso desconocidos. En ausencia de un método para predecir estos avances, solo nos queda esperar.
Se desconoce si existe un método de cifrado en tiempo polinómico que requiera un tiempo exponencial para su descifrado, incluso para un ordenador cuántico.
El criptoanálisis ha evolucionado conjuntamente con la criptografía, y la competición entre ambos puede ser rastreada a lo largo de toda la historia de la criptografía. Las claves nuevas se diseñaban para reemplazar los esquemas ya rotos, y nuevas técnicas de criptoanálisis se desarrollaban para abrir las claves mejoradas. En la práctica, se considera a ambas como las dos caras de la misma moneda: para crear un sistema criptográfico seguro, es necesario tener en cuenta los descubrimientos del criptoanálisis. De hecho, hoy en día se suele invitar a la comunidad científica a que trate de romper las nuevas claves criptográficas, antes de considerar que un sistema es lo suficientemente seguro para su uso.
Aunque la expresión criptoanálisis es relativamente reciente (fue acuñada por William F. Friedman en 1920), los métodos para romper códigos y cifrados son mucho más antiguos. La primera explicación conocida del criptoanálisis se debe al sabio árabe del siglo IX, Yusuf Yaqub ibn Ishaq al-Sabbah Al-Kindi, en su Manuscrito para Descifrar Mensajes Criptográficos. Este tratado incluye una descripción del método de análisis de frecuencias (Ibraham, 1992).
El análisis de frecuencias es la herramienta básica para romper los cifrados clásicos. En todas las lenguas conocidas, ciertas letras del alfabeto aparecen más frecuentemente que otras; por ejemplo, en español, las vocales son muy frecuentes, ocupando alrededor del 45% del texto, siendo la E y la A las que aparecen en más ocasiones, mientras que la frecuencia sumada de F, Z, J, X, W y K no alcanza el 2%. Igualmente, se pueden reunir estadísticas de aparición de pares o tríos de letras. El análisis de frecuencias revelará el contenido original si el cifrado utilizado no es capaz de ocultar estas estadísticas. Por ejemplo, en un cifrado de substitución simple (en el que cada letra es simplemente substituida por otra), la letra más frecuente en el texto cifrado sería un candidato probable para representar la letra "E".
El análisis de frecuencias se basa tanto en el conocimiento lingüístico como en las estadísticas, pero al volverse cada vez más complicados los cifrados, las matemáticas se convirtieron gradualmente en el enfoque predominante en el criptoanálisis. Este cambio fue particularmente evidente durante la Segunda Guerra Mundial, cuando los esfuerzos para romper los códigos del Eje requirieron nuevos niveles de sofisticación matemática. Más aún, la automatización fue aplicada por primera vez en la Historia al criptoanálisis, bajo la forma de los dispositivos Bomba y Colossus, una de las primeras computadoras.
Aunque la computación fue utilizada con gran éxito durante la Segunda Guerra Mundial, también hizo posible nuevos métodos criptográficos que eran órdenes de magnitud más complejos que los empleados hasta la fecha. Tomada como un todo, la criptografía moderna se ha vuelto mucho más impenetrable al criptoanalista que los métodos de pluma y papel del pasado, y parece que en la actualidad llevan ventaja sobre los métodos del puro criptoanálisis. El historiador David Kahn escribió: "Son muchos los criptosistemas en venta hoy por parte de cientos de compañías comerciales que no pueden ser rotos por ningún método conocido de criptoanálisis. De hecho, en ciertos sistemas incluso un ataque de texto claro escogido, en el que un fragmento de texto claro seleccionado es comparado con su versión cifrada, no permite conocer el código para romper otros mensajes. En cierto sentido, entonces, el criptoanálisis está muerto. Pero éste no es el final de la historia. El criptoanálisis puede estar muerto, pero, mezclando mis metáforas, hay más de un modo de desollar un gato." (Observaciones sobre el 50 Aniversario de la National Security Agency, 1 de noviembre de 2002). Kahn menciona a continuación las mayores posibilidades para la intercepción, la colocación de dispositivos grabadores ("bugging"), los ataques de canal lateral y la criptogtafía cuántica como sustitutos de los métodos tradicionales del criptoanálisis.[1]
Kahn podría haberse apresurado demasiado al declarar al criptoanálisis muerto; aún no se han extinguido los cifrados débiles. En medios académicos, se presentan regularmente nuevos diseños, y también son rotos frecuentemente: el cifrado por bloques Madryga, de 1984, demostró ser vulnerable a un ataque con solo texto cifrado disponible en 1998; FEAL-4, propuesto como sustituto para el algoritmo estándar de cifrado de datos DES fue demolido por una avalancha de ataques de la comunidad académica, muchos de los cuales no eran enteramente realizables en condiciones prácticas. En la industria, igualmente, los cifrados no están exentos de fallos: por ejemplo, los algoritmos AS/1, AS/2 y CMEA, usados en la industria de teléfonos móviles, pueden ser rotos en horas, minutos o incluso en tiempo real por equipo informático ampliamente disponible. En 2001, se demostró que el algoritmo WEP, utilizado para proteger redes Wi-Fi, es susceptible de ser atacado mediante un ataque de clave relacionada.
Los criptoanálisis exitosos han influido sin lugar a dudas en la Historia. La capacidad de leer los pensamientos, supuestamente secretos, o los planes de otros puede ser una ventaja decisiva, y nunca con mayor razón que en tiempos de guerra. Por ejemplo, durante la Primera Guerra Mundial, el descifrado del Telegrama Zimmermann fue capital para la entrada de los Estados Unidos en la guerra. En la Segunda Guerra Mundial, el criptoanálisis de los códigos alemanes, incluyendo la máquina Enigma y el código Lorenz, ha sido considerado desde un factor que apenas acortó la guerra en algunos meses en Europa, hasta un elemento crucial que determinó el resultado final (véase ULTRA). Los Estados Unidos también se beneficiaron del criptoanálisis del código japonés PURPLE durante la contienda (véase MAGIC).
Todos los gobiernos han sido conscientes desde antiguo de los potenciales beneficios del criptoanálisis para la inteligencia militar, tanto en lo puramente bélico como en lo diplomático, y han establecido con frecuencia organizaciones dedicadas en exclusiva al descifrado de códigos de otras naciones, por ejemplo GCHQ y NSA, organizaciones americanas todavía muy activas hoy en día. En 2004, surgió la noticia de que los Estados Unidos habían roto los códigos utilizados por Irán: [2]).
En inglés:
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