Cifrado simétrico: una inmersión profunda en la implementación de cifrado en bloque

El cifrado simétrico es una piedra angular de la criptografía moderna, que desempeña un papel vital en la protección de datos confidenciales en diversas aplicaciones. Esta publicación de blog proporciona una descripción general completa del cifrado simétrico, con un enfoque particular en la implementación de cifrado en bloque. Exploraremos los fundamentos, las estrategias de implementación, los modos de operación, las consideraciones de seguridad y las aplicaciones prácticas de los cifrados en bloque.

¿Qué es el cifrado simétrico?

El cifrado simétrico, también conocido como cifrado de clave secreta, implica el uso de la misma clave tanto para el cifrado como para el descifrado. Esta clave debe mantenerse en secreto entre las partes que se comunican. La simplicidad y eficiencia del cifrado simétrico lo hacen ideal para cifrar grandes volúmenes de datos. Sin embargo, el desafío radica en intercambiar de forma segura la clave secreta.

Características clave:

• Clave única: Utiliza la misma clave para el cifrado y el descifrado.
• Velocidad: Generalmente más rápido que los algoritmos de cifrado asimétrico.
• Intercambio de claves: Requiere un canal seguro para el intercambio de claves.

Comprensión de los cifrados en bloque

Los cifrados en bloque son un tipo de algoritmo de cifrado simétrico que opera en bloques de datos de tamaño fijo. Los datos de entrada se dividen en bloques y cada bloque se cifra utilizando la clave secreta. Los bloques cifrados se combinan luego para producir el texto cifrado.

Conceptos clave:

• Tamaño de bloque: El tamaño fijo del bloque de datos procesado por el cifrado (por ejemplo, 128 bits para AES).
• Tamaño de clave: La longitud de la clave secreta utilizada para el cifrado y descifrado (por ejemplo, 128, 192 o 256 bits para AES).
• Rondas: El número de iteraciones realizadas durante el proceso de cifrado, lo que contribuye a la seguridad del cifrado.

Algoritmos de cifrado en bloque populares

Se han desarrollado varios algoritmos de cifrado en bloque a lo largo de los años. Estos son algunos de los más utilizados:

Estándar de cifrado avanzado (AES)

AES es el estándar actual de la industria para el cifrado simétrico. Admite tamaños de clave de 128, 192 y 256 bits y opera en bloques de 128 bits. AES es conocido por su seguridad, rendimiento y versatilidad.

Ejemplo: AES se utiliza para cifrar datos almacenados en servicios de almacenamiento en la nube, asegurar las comunicaciones de red (TLS/SSL) y proteger datos confidenciales en dispositivos móviles.

Estándar de cifrado de datos (DES)

DES es un algoritmo de cifrado en bloque más antiguo que utiliza una clave de 56 bits y opera en bloques de 64 bits. Si bien DES se usó ampliamente, su corta longitud de clave lo hace vulnerable a ataques de fuerza bruta. Triple DES (3DES) se desarrolló como una solución provisional, aplicando DES tres veces con diferentes claves, pero ahora se prefiere AES.

Pez globo

Blowfish es un cifrado en bloque simétrico que utiliza una clave de longitud variable, de 32 a 448 bits. Opera en bloques de 64 bits y es conocido por su velocidad y simplicidad. Blowfish se usa a menudo en aplicaciones de software y sistemas integrados.

Modos de operación de cifrado en bloque

Los cifrados en bloque cifran datos en bloques de tamaño fijo. Sin embargo, la mayoría de los datos del mundo real son más grandes que un solo bloque. Para manejar esto, los cifrados en bloque se utilizan con diferentes modos de operación. Estos modos definen cómo se aplica el cifrado repetidamente sobre cantidades mayores de datos.

Libro de códigos electrónico (ECB)

El modo ECB es el modo de operación más simple. Cada bloque de texto sin cifrar se cifra de forma independiente utilizando la misma clave. Si bien es simple, el modo ECB es vulnerable a ataques porque los bloques de texto sin cifrar idénticos producirán bloques de texto cifrado idénticos, revelando patrones en los datos.

Ejemplo: Evite usar el modo ECB para cifrar imágenes, ya que los patrones se pueden observar fácilmente en la imagen cifrada.

Encadenamiento de bloques de cifrado (CBC)

En el modo CBC, cada bloque de texto sin cifrar se XOR con el bloque de texto cifrado anterior antes del cifrado. Esto asegura que cada bloque de texto cifrado dependa de todos los bloques de texto sin cifrar anteriores, lo que lo hace más seguro que el modo ECB. Se utiliza un vector de inicialización (IV) para el primer bloque.

Ejemplo: El modo CBC se usa comúnmente en protocolos de red como IPsec y SSL/TLS.

Contador (CTR)

El modo CTR transforma un cifrado en bloque en un cifrado de flujo. Un contador se incrementa para cada bloque y se cifra el valor del contador. El texto cifrado resultante se XOR con el texto sin cifrar para producir el texto cifrado. El modo CTR permite el cifrado y descifrado en paralelo.

Ejemplo: El modo CTR se utiliza en aplicaciones donde el procesamiento paralelo es beneficioso, como cifrar archivos grandes en un procesador multinúcleo.

Modo Galois/Contador (GCM)

GCM es un modo de cifrado autenticado que proporciona confidencialidad e integridad. Combina el modo CTR para el cifrado con la autenticación de Galois para la autenticación de mensajes. GCM se usa ampliamente en protocolos de red y sistemas de almacenamiento.

Ejemplo: GCM se usa a menudo junto con AES para una comunicación de red segura y el almacenamiento de datos.

Implementación de cifrados en bloque

La implementación de cifrados en bloque implica varios pasos clave, incluida la generación de claves, el cifrado, el descifrado y el relleno.

Generación de claves

Generar claves seguras y aleatorias es crucial para la seguridad del cifrado simétrico. La clave debe generarse utilizando un generador de números aleatorios criptográficamente seguro (CSPRNG). El tamaño de la clave debe ser apropiado para el algoritmo elegido (por ejemplo, 128, 192 o 256 bits para AES).

Ejemplo: En Python, puede usar el módulo `secrets` para generar claves aleatorias criptográficamente seguras:

            import secrets
key = secrets.token_bytes(32)  # Generar una clave de 256 bits
            

              
                Copy
              
            
          

Cifrado

El proceso de cifrado implica aplicar el algoritmo de cifrado en bloque a los datos de texto sin cifrar utilizando la clave secreta y el modo de operación elegido. La implementación debe seguir las especificaciones del algoritmo y el modo de operación.

Ejemplo (Python usando la biblioteca de criptografía con AES-CBC):

            from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
from cryptography.hazmat.primitives import padding
import os

key = os.urandom(32) # 256-bit key
iv = os.urandom(16) # 128-bit IV

def encrypt(plaintext, key, iv):
    padder = padding.PKCS7(algorithms.AES.block_size).padder()
    padded_data = padder.update(plaintext) + padder.finalize()

    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CBC(iv), backend=default_backend())
    encryptor = cipher.encryptor()
    ciphertext = encryptor.update(padded_data) + encryptor.finalize()
    return ciphertext

            

              
                Copy
              
            
          

Descifrado

El proceso de descifrado es el reverso del proceso de cifrado. El algoritmo de cifrado en bloque se aplica a los datos de texto cifrado utilizando la misma clave secreta y el modo de operación utilizado para el cifrado. La implementación debe asegurar que el proceso de descifrado esté correctamente sincronizado con el proceso de cifrado.

Ejemplo (Python usando la biblioteca de criptografía con AES-CBC):

            def decrypt(ciphertext, key, iv):
    cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CBC(iv), backend=default_backend())
    decryptor = cipher.decryptor()
    padded_data = decryptor.update(ciphertext) + decryptor.finalize()

    unpadder = padding.PKCS7(algorithms.AES.block_size).unpadder()
    plaintext = unpadder.update(padded_data) + unpadder.finalize()
    return plaintext

            

              
                Copy
              
            
          

Relleno

Los cifrados en bloque operan en bloques de tamaño fijo. Si los datos de texto sin cifrar no son un múltiplo del tamaño del bloque, se requiere relleno para asegurar que los datos se puedan procesar correctamente. Hay disponibles varios esquemas de relleno, como el relleno PKCS7 y el relleno ANSI X9.23. El esquema de relleno debe aplicarse de manera consistente durante el cifrado y el descifrado.

Ejemplo (Relleno PKCS7):

Si el tamaño del bloque es de 16 bytes y el último bloque tiene 10 bytes, entonces se agregan 6 bytes de relleno. Cada byte de relleno tendrá el valor 0x06.

Consideraciones de seguridad

La implementación segura de cifrados en bloque requiere una cuidadosa consideración de varios factores:

Gestión de claves

La gestión segura de claves es esencial para la seguridad del cifrado simétrico. La clave secreta debe generarse de forma segura, almacenarse de forma segura e intercambiarse de forma segura entre las partes que se comunican. Los protocolos de intercambio de claves como Diffie-Hellman y los sistemas de gestión de claves (KMS) se pueden usar para gestionar las claves de forma segura.

Vector de inicialización (IV)

Cuando se utilizan modos de operación como CBC y CTR, se debe utilizar un IV único e impredecible para cada operación de cifrado. El IV debe generarse utilizando un CSPRNG y debe transmitirse junto con el texto cifrado. Reutilizar el mismo IV con la misma clave puede comprometer la seguridad del cifrado.

Ataques de oráculo de relleno

Los ataques de oráculo de relleno explotan las vulnerabilidades en la forma en que se maneja el relleno durante el descifrado. Si un atacante puede determinar si el relleno es válido o inválido, puede potencialmente descifrar el texto cifrado sin conocer la clave secreta. Para evitar ataques de oráculo de relleno, el proceso de validación de relleno debe implementarse cuidadosamente.

Ataques de canal lateral

Los ataques de canal lateral explotan la información filtrada durante la ejecución del algoritmo de cifrado, como el consumo de energía, las variaciones de tiempo y la radiación electromagnética. Estos ataques se pueden usar para recuperar la clave secreta. Para mitigar los ataques de canal lateral, se pueden emplear contramedidas como el enmascaramiento y el ocultamiento.

Aplicaciones prácticas

Los cifrados en bloque de cifrado simétrico se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, que incluyen:

• Almacenamiento de datos: Cifrar datos almacenados en discos duros, unidades de estado sólido y servicios de almacenamiento en la nube.
• Comunicación de red: Asegurar el tráfico de red utilizando protocolos como IPsec, SSL/TLS y VPN.
• Cifrado de archivos: Proteger archivos confidenciales utilizando software de cifrado.
• Cifrado de bases de datos: Cifrar datos confidenciales almacenados en bases de datos.
• Seguridad móvil: Proteger datos en dispositivos móviles, como teléfonos inteligentes y tabletas.

Mejores prácticas

Para garantizar la seguridad de las implementaciones de cifrado en bloque de cifrado simétrico, siga estas mejores prácticas:

• Utilice algoritmos fuertes: Elija algoritmos de cifrado en bloque bien establecidos y ampliamente probados, como AES.
• Utilice tamaños de clave adecuados: Utilice tamaños de clave que sean lo suficientemente largos para proporcionar una seguridad adecuada (por ejemplo, 128 bits o más para AES).
• Utilice modos de operación seguros: Elija modos de operación que proporcionen el nivel deseado de seguridad y rendimiento (por ejemplo, GCM para cifrado autenticado).
• Implemente una gestión de claves segura: Utilice mecanismos seguros de generación, almacenamiento e intercambio de claves.
• Utilice IV únicos e impredecibles: Genere y utilice IV únicos e impredecibles para cada operación de cifrado.
• Protéjase contra los ataques de oráculo de relleno: Implemente la validación de relleno cuidadosamente para evitar ataques de oráculo de relleno.
• Protéjase contra los ataques de canal lateral: Implemente contramedidas para mitigar los ataques de canal lateral.
• Actualice y parchee periódicamente: Mantenga las bibliotecas y el software de cifrado actualizados con los últimos parches de seguridad.

Conclusión

Los cifrados en bloque de cifrado simétrico son un componente fundamental de la criptografía moderna. Al comprender los principios, las estrategias de implementación, los modos de operación, las consideraciones de seguridad y las mejores prácticas discutidas en esta publicación de blog, los desarrolladores y los profesionales de la seguridad pueden utilizar eficazmente los cifrados en bloque para proteger datos confidenciales y garantizar la confidencialidad, integridad y autenticidad de sus sistemas y aplicaciones.

A medida que la tecnología evoluciona, mantenerse informado sobre los últimos avances criptográficos y las mejores prácticas es crucial para mantener una postura de seguridad sólida en un mundo cada vez más interconectado. Siempre priorice las evaluaciones de seguridad y las pruebas de penetración para validar la efectividad de sus implementaciones de cifrado.