Técnicas de cifrado simétrico

Un cifrado simétrico es cualquier técnica que utiliza la misma llave para cifrar y descifrar los datos. El cifrado César es una de las técnicas de cifrado simétrico más sencillas y, por supuesto, una de las más fáciles de quebrar.

Desde entonces, los criptólogos han inventado muchas otra técnicas de cifrado simétrico, incluyendo las utilizadas hoy en día para cifrar datos como contraseñas.

Los criptólogos franceses inventaron el cifrado de Vigenère, a mediados del siglo XVI. Este cifrado fue considerado particularmente fuerte y el autor Lewis Caroll incluso lo llamó “irrompible” en 1868. De hecho, era mucho más fuerte que el cifrado César, pero como veremos, definitivamente puede quebrarse.

El cifrado de Vigenère usa una palabra completa como llave de desplazamiento, en lugar del desplazamiento sencillo del cifrado César.

Imagina que queremos cifrar la frase VERSAILLES y usar CHEESE como llave de desplazamiento.

En primer lugar, necesitamos repetir la cllave de desplazamiento para alinearla con cada letra en la frase:

Ahora reemplazamos cada letra del texto original conforme a la tabla de Vigenère:

Para la primera letra "V", seleccionamos la fila que comienza con "V". Luego, como la letra correspondiente en la llave de desplazamiento es "C", vamos a la columna con encabezado "C". La letra en la intersección de la fila "V" y la columna "C" es "X". Así, ciframos "V" como "X".

La letra en la intersección de la fila "E" y la columna "H" es "L", así que ciframos "E" como "L".

Si seguimos adelante, terminaremos con el texto cifrado "XLVWSMNSIW".

Imagina que recibimos el mensaje cifrado "NVYZJI" de nuestro aliado, y sabemos que ha utilizado un cifrado de Vigenère con llave de desplazamiento "CHEESE".

Una vez más, alineamos el mensaje cifrado con la llave de desplazamiento:

Ahora podemos hacer una sustitución inversa según la tabla:

Empezamos por seleccionar la fila de la primera letra "C" en la llave de desplazamiento. Recorremos esa fila hasta encontrar la primera letra cifrada "N". Con la "N" encontrada, buscamos el encabezado de esa columna, "L", así que el descifrado de "N" es "L".

Para la siguiente letra, seleccionamos la fila "H", encontramos la "V" en la fila y buscamos para ver que estamos en la columna "O".

Si hacemos eso para cada llave de desplazamiento y letra cifrada, desciframos toda la frase como "LOUVRE".

El cifrado de Vigenère es de tipo polialfabético, y es un código más difícil de quebrar que el cifrado César debido al uso de una palabra completa de desplazamiento.

Si un interceptador no tiene idea de cuál es la llave de desplazamiento y quiere descifrar un mensaje por fuerza bruta, tendría que ensayar todas las posibles llaves de desplazamiento en el mundo, y ¡aun palabras inventadas! Esto le tomaría toda una vida a un simple mortal. Eso es mucho más trabajo que quebrar a fuerza bruta el cifrado César, donde solo tuvimos que comprobar 26 desplazamientos diferentes.

¿Y qué tal análisis de frecuencias? ¿Tienen los mensajes encriptados con el cifrado Vigenère algún patrón especial de distribución de letras?

¡Pruébalo por ti mismo! Cifra el mensaje de abajo, y verás un análisis de frecuencia del mensaje original y del mensaje cifrado.

Observa que el análisis de frecuencia del mensaje original es exactamente lo que esperamos para un mensaje en inglés: "E" es la letra más popular, y hay una gran variación en la frecuencia de las letras.

Las frecuencias del mensaje cifrado son más similares entre sí. No podemos identificar una "E" obvia, ya que la letra "E" se codifica como letras diferentes en diferentes puntos del mensaje.

En el siglo XIX, finalmente se encontraron diferentes maneras de usar el análisis de frecuencia para quebrar el cifrado. Por ejemplo, en un mensaje largo, una palabra breve como "THE" puede traducirse varias veces a las mismas tres letras cifradas (pero no siempre), y esto revela las longitudes posibles para la llave de desplazamiento.

Ahora que podemos usar computadoras potentes, el cifrado de Vigenère es relativamente fácil de descifrar, porque una computadora puede probar rápidamente millones de palabras, y encontrar fácilmente la información filtrada por el análisis de frecuencia.

En la era de las computadoras, los cifrados no pueden solo ser difíciles de quebrar por una persona emprendedora; tienen que ser difíciles de quebrar por una computadora que puede hacer billones de cálculos por segundo.

Afortunadamente, los criptologos han inventado técnicas de cifrado que son seguras en el mundo digital y siguen mejorandolas cada año.

Una de los estándares de cifrado más comunes es AES-128, un cifrado de bloque aprobado por el gobierno federal y usado a menudo para la transferencia segura de archivos.

¿Qué hace que sea tan seguro?

Una razón es que cada llave siempre es de 128 bits. Eso significa que hay $2^{128}$‍ llaves posibles. Son muchas:

¡Guau! Pero espera, hay más: el cifrado AES requiere aplicar una secuencia de 10 operaciones matemáticas para cada bit de la llave. Multiplica el número de arriba por 10, y ese es el número de cálculos que una computadora tendría que hacer.

La computadora más rápida puede calcular alrededor de $145\times {10}^{15}$‍ operaciones por segundo. Eso es:

La computadora más rápida todavía tardaría 500 billones de años para ensayar todas las llaves posibles de 128 bits!

¿Qué pasa con el análisis de frecuencia? No va a funcionar. El cifrado AES no revela ninguna información sobre el texto original, gracias a la secuencia de múltiples pasos de operaciones sobre bloques de bits.

Los cifrados AES y otros cifrados modernos puede que no sean seguros para siempre. Los investigadores de seguridad dedican su tiempo a buscar formas inteligentes de quebrar el cifrado y presentan sus hallazgos en blogs y charlas en conferencias.

La investigación en criptografía se lleva a cabo abiertamente, con la esperanza de que el público encuentre violaciones de seguridad antes que un cibercriminal malicioso.

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