Criptoanàlisi

La criptoanàlisi és el conjunt de tècniques utilitzades per a desxifrar codis encriptats sense conèixer el sistema emprat per a la codificació. Habitualment, implica buscar la clau secreta utilitzada. El terme criptoanàlisi també s'utilitza de manera general per referir-se a qualsevol intent de trencar la seguretat d'altres tipus d'algorismes i protocols criptogràfics. En canvi, el terme no inclou els atacs que no es basin en els punts febles de la criptografia utilitzada en la codificació, com per exemple: els atacs que es basin en el suborn, la coacció física, la tortura o el robatori -avui dia més efectius que la criptoanàlisi tradicional-. Criptoanàlisi (del grec kryptós, "amagat" i analýein, "deslligar") és l'estudi dels mètodes per obtenir el sentit d'una informació xifrada, sense accés a la informació secreta requerida per obtenir aquest sentit normalment. Típicament, això es tradueix en aconseguir la clau secreta. En el llenguatge no tècnic, es coneix aquesta pràctica com trencar o forçar el codi, encara que aquesta expressió té un significat específic dins l'argot tècnic. Criptoanàlisi també fa referència a qualsevol intent d'esquivar la seguretat d'altres tipus d'algorismes i protocols criptogràfics en general, i no només el xifrat. No obstant això, la criptoanàlisi sol excloure els atacs que no tinguin com a objectiu primari els punts febles de la criptografia utilitzada, per exemple, atacs a la seguretat que es basin en el suborn, la coerció física, el robatori, el keylogging i altres, encara que aquests tipus d'atacs són un risc creixent per a la seguretat informàtica i s'estan fent gradualment més efectius que la criptoanàlisi tradicional.

Tot i que l'objectiu ha estat sempre el mateix, els mètodes i tècniques de la criptoanàlisi han canviat de manera dràstica al llarg de la història de la criptografia, adaptant-se a la creixent complexitat de la criptografia, passant del llapis i el paper del passat als ordinadors d'avui, passant per màquines com l'Enigma de la Segona Guerra Mundial. Els resultats obtinguts amb la criptoanàlisi també han canviat al llarg del temps, ara ja no és possible tenir un èxit total en trencar una codificació i hi ha una classificació jeràrquica del que constitueix un atac. A mitjans de la dècada del 1970 es va introduir un nou tipus de criptografia: la criptografia asimètrica basada en una clau pública. Els mètodes que permeten trencar aquest tipus de criptosistema són radicalment diferents als anteriors i impliquen la resolució de problemes matemàtics complexos com la factorització de nombres sencers.

Tot i que l'objectiu ha estat sempre el mateix, els mètodes i tècniques de la criptoanàlisi han canviat dràsticament a través de la història de la criptografia, adaptant-se a una creixent complexitat criptogràfica, que abasta des dels mètodes de llapis i paper del passat, passant per màquines com Enigma-utilitzada pels nazis durant la Segona Guerra Mundial -, fins a arribar als sistemes basats en computadores del present.

Els resultats de la criptoanàlisi han canviat també: ja no és possible tenir un èxit il limitat al trencar un codi, i hi ha una classificació jeràrquica del que constitueix un atac a la pràctica. A mitjans dels anys 70 es va inventar una nova classe de criptografia: la criptografia asimètrica. Els mètodes utilitzats per trencar aquests sistemes són en general radicalment diferents dels anteriors, i usualment impliquen resoldre un problema acuradament construït en el domini de la matemàtica pura. L'exemple més conegut és la factorització d'enters.

Història de la criptoanàlisi

La criptoanàlisi ha evolucionat conjuntament amb la criptografia, i la competició entre tots dos pot rastrejar-se al llarg de tota la història de la criptografia. Les claus noves es dissenyaven per a reemplaçar els esquemes ja trencats i noves tècniques de criptoanàlisi es desenvolupaven per obrir les claus millorades. A la pràctica, es considera a totes dues com les dues cares de la mateixa moneda: per crear un sistema criptogràfic segur, cal tenir en compte els descobriments de la criptoanàlisi. De fet, avui en dia, se sol convidar a la comunitat científica que tracti de trencar les noves claus criptogràfiques, abans de considerar que un sistema és prou segur per al seu ús.

Criptoanàlisi clàssica

Primera pàgina de Un manuscrit per al desxifrat de missatges criptogràfics , d'Al-Kindi

Tot i que l'expressió criptoanàlisi és relativament recent (va ser encunyada per William F. Friedman a 1920), els mètodes per trencar codis i xifrats són molt més antics. La primera explicació coneguda de la criptoanàlisi es deu al savi àrab del segle ix, Yusuf Yaqub ibn Ishaq al-Sabbah Al-Kindi, en el seu Manuscrit per Desxifrar Missatges criptogràfics. Aquest tractat inclou una descripció del mètode d'anàlisi de freqüències (Ibraham, 1992).

L'anàlisi de freqüències és l'eina bàsica per trencar els xifrats clàssics. En totes les llengües conegudes, certes lletres de l'alfabet apareixen més sovint que altres, per exemple, en espanyol, les vocals són molt freqüents, ocupant al voltant del 45% del text, sent la E i l'A les que apareixen en més ocasions, mentre que la freqüència sumada de F, Z, J, X, W i K no arriba al 2%. Igualment, es poden reunir estadístiques d'aparició de parells o trios de lletres. L'anàlisi de freqüències revelarà el contingut original si el xifrat utilitzat no és capaç d'amagar aquestes estadístiques. Per exemple, en un xifrat de substitució simple (en el qual cada lletra és simplement substituïda per una altra), la lletra més freqüent en el text xifrat seria un candidat probable per representar la lletra "E".

L'anàlisi de freqüències es basa tant en el coneixement lingüístic com en les estadístiques, però en tornar-se cada vegada més complicats els xifrats, les matemàtiques es van convertir gradualment en l'enfocament predominant en la criptoanàlisi. Aquest canvi va ser particularment evident durant la Segona Guerra Mundial, quan els esforços per trencar els codis de l'Eix van requerir nous nivells de sofisticació matemàtica. Més encara, l'automatització va ser aplicada per primera vegada en la Història a la criptoanàlisi, sota la forma dels dispositius Bomba i Colossus, una de les primeres computadores.

Criptoanàlisi moderna

Rèplica d'un dispositiu Bombe

Tot i que la computació va ser utilitzada amb gran èxit durant la Segona Guerra Mundial, també va fer possible nous mètodes criptogràfics que eren ordres de magnitud més complexos que les emprades fins a la data. Presa com un tot, la criptografia moderna s'ha tornat molt més impenetrable per als criptoanalistes que els mètodes de ploma i paper del passat, i sembla que en l'actualitat porten avantatge sobre els mètodes de la pura criptoanàlisi. L'historiador David Kahn va escriure: "Són molts els criptosistemes de venda avui per part de centenars de companyies comercials que no poden ser trencats per cap mètode conegut de criptoanàlisi. De fet, en certs sistemes fins i tot un atac de text pla escollit, en què un fragment de text pla seleccionat és comparat amb la seva versió xifrada, no permet conèixer el codi per trencar altres missatges. D'alguna manera, llavors, la criptoanàlisi és morta. Però aquest no és el final de la història. La criptoanàlisi pot estar morta, però, barrejant les meves metàfores, hi ha més d'una manera d'escorxar un gat." -Observacions sobre el 50 Aniversari de l'Agència de Seguretat Nacional, novembre 1 del 2002-. Kahn esmenta a continuació les majors possibilitats per la intercepció, la col·locació de dispositius gravadors ("bugging"), els atacs de canal lateral i la criptogtafia quàntica com a substituts dels mètodes tradicionals de la criptoanàlisi.

Kahn podria haver-se precipitat massa en declarar a la criptoanàlisi morta; encara no s'han extingit els xifrats febles. En mitjans acadèmics, es presenten regularment nous dissenys, i també són trencats freqüentment: el xifrat per blocs Madryga, de 1984, va demostrar ser vulnerable a un atac amb només text xifrat disponible el 1998; FEAL-4, proposat com a substitut per l'algorisme estàndard de xifrat de dades DES va ser enderrocat per una allau d'atacs de la comunitat acadèmica, molts dels quals no eren del tot realitzables en condicions pràctiques. En la indústria, igualment, els xifrats no estan exempts d'errors, per exemple: els algorismes AS/1, AS/2 i CMEA, usats a la indústria de telèfons mòbils, poden ser trencats en hores, minuts, o fins i tot, en temps real per equip informàtic àmpliament disponible. El 2001, es va demostrar que l'algorisme WEP, utilitzat per protegir xarxes WiFi, és susceptible de ser atacat mitjançant un atac de clau relacionada.

Resultats de la criptoanàlisi

El Telegrama de Zimmerman, desxifrat

Els èxits en la criptoanàlisi han influït sens dubte a la Història. La capacitat de llegir els pensaments, suposadament secrets, o els plans d'altres pot ser un avantatge decisiu, i mai amb més raó que en temps de guerra. Per exemple: durant la Primera Guerra Mundial, el desxiframent del Telegrama de Zimmerman va ser capital per a l'entrada dels Estats Units a la guerra. A la Segona Guerra Mundial, la criptoanàlisi dels codis alemanys, incloent-hi la màquina Enigma i el codi Lorenz, ha estat considerada des d'un factor que amb prou feines va escurçar la guerra a alguns mesos a Europa, fins a un element crucial que va determinar el resultat final. Els Estats Units també es van beneficiar de la criptoanàlisi del codi japonès PURPLE durant la contesa.

Tots els governs han estat conscients des d'antic dels potencials beneficis de la criptoanàlisi per a la intel·ligència militar, tant pel que purament bèl·lic com en el diplomàtic, i han establert amb freqüència organitzacions dedicades en exclusiva al desxifrat de codis d'altres nacions, per exemple GCHQ i NSA, organitzacions americanes encara molt actives avui dia. El 2004, va sorgir la notícia que els Estats Units havien trencat els codis utilitzats per l'Iran.

Caracterització dels atacs

Els atacs criptoanalítics varien en potència i en la seva capacitat d'amenaça per als sistemes criptogràfics utilitzats al món real. Una "debilitat certificacional" és un atac teòric que resulta improbable d'aplicar a cap situació realista, la majoria dels resultats demostrats en la investigació criptoanalítica moderna són d'aquest tipus. Essencialment, la importància pràctica de l'atac depèn de les respostes donades a les següents preguntes:

1. Quins coneixements i capacitats són necessaris com a requisit?
2. Quanta informació addicional secreta es dedueix de l'atac?
3. Quant esforç es requereix? (és a dir, quin és el grau de complexitat computacional?)

Coneixement previ: escenaris per la criptoanàlisi

La criptoanàlisi pot realitzar sota una sèrie de supòsits sobre el que pot observar-se o descobrir-se sobre el sistema en qüestió abans de realitzar l'atac. Com un punt d'inici bàsic se suposa que, per als propòsits de l'anàlisi, l'algorisme general és conegut; aquesta és la Màxima de Shannon, "l'enemic coneix el sistema". Aquest és un supòsit raonable en la pràctica - al llarg de la Història, hi ha incomptables exemples d'algorismes secrets que van ser coneguts mitjançant l'espionatge, la traïció i l'enginyeria inversa. De vegades, alguns codis han estat reconstruïts mitjançant la pura deducció, per exemple, el codi Lorenz i el codi PURPLE, així com una certa quantitat de codis clàssics.

Altres supòsits es poden categoritzar de la manera següent:

• "Atac amb només text xifrat disponible": el criptoanalista només té accés a una col·lecció de textos xifrats o codificats.
• "Atac amb text pla conegut": l'atacant té un conjunt de textos xifrats dels que coneix el corresponent text pla o desxifrat.
• "Atac amb text pla escollit" ("atac amb text xifrat escollit"): l'atacant pot obtenir els textos xifrats (plànols) corresponents a un conjunt arbitrari de textos plans (xifrats) de la seva pròpia elecció.
• "Atac adaptatiu de text pla escollit": com un atac de text pla escollit, però l'atacant pot triar textos plans subsegüents sobre la base de la informació obtinguda dels desxifrats anteriorment. Similarment, hi ha l'atac adaptatiu de text xifrat escollit.
• "Atac de clau relacionada": com un atac de text pla escollit, però l'atacant pot obtenir text xifrat utilitzant dues claus diferents. Les claus són desconegudes, però la relació entre ambdues és coneguda, per exemple, dos claus que difereixen en un bit.

Aquests tipus d'atac difereixen evidentment en la plausibilitat que ocorrin en la pràctica. Encara que alguns són més probables que altres, els criptògrafs solen adoptar un enfocament conservador i assumir el pitjor dels casos imaginable quan dissenyen algorismes, raonant que si un sistema és segur, fins i tot, contra amenaces tan poc realistes, aleshores hauria de resistir també a la criptoanàlisi en el món real.

Els supòsits en què es basen aquests atacs són sovint més realistes del que podria semblar a primera vista. Per obtenir un atac amb text pla conegut, el criptoanalista podria molt bé conèixer o ser capaç d'inferir una part que probablement forma part del text pla, com ara l'encapçalament d'una carta xifrada ("Benvolgut Sr"), o que l'inici d'una sessió d'ordinador contingui les lletres "LOGIN". Un atac de text pla escollit és menys probable, però en alguns casos pot ser plausible: per exemple, si convences a algú per tornar a enviar un missatge que tu mateix li has enviat abans, però en forma xifrada. Els atacs de clau relacionada són bàsicament teòrics, encara que poden ser realistes en certes situacions, com per exemple: en construir funcions hash criptogràfiques utilitzant un xifrat per blocs.

Classificació de l'èxit en criptoanàlisi

Els resultats d'una criptoanàlisi també poden variar en utilitat. Per exemple, el criptògraf Lars Knudsen (Knudsen, 1998) va classificar diversos tipus d'atac en xifrats per blocs d'acord amb la quantitat i la qualitat de la informació secreta que pogués ser descoberta:

• Ruptura total: l'atacant dedueix la clau secreta.
• Deducció global: l'atacant descobreix un algorisme funcionalment equivalent per al xifrat i desxifrat de missatges, però no obté la clau.
• Deducció local (o d'instància): l'atacant descobreix textos plans o xifrats addicionals als coneguts prèviament.
• Deducció d'informació: l'atacant descobreix alguna informació en el sentit de Shannon que no era coneguda prèviament.
• Distinció de l'algorisme: l'atacant pot distingir la informació xifrada d'una permutació a l'atzar.

Es poden aplicar aquestes categories als atacs sobre altres tipus d'algorismes.

Complexitat

Els atacs es poden categoritzar per la quantitat de recursos que requereixen. Aquests poden prendre la forma de:

• Temps: el nombre de "operacions primitives" que han de ser realitzades. Aquesta categoria és força vaga, les operacions primitives podrien considerar-se com instrucció bàsica de computació, com una suma, una operació XOR, un desplaçament bit a bit, etc., O com a mètodes de xifrat sencers.
• Memòria: la quantitat d'emmagatzematge necessari per a realitzar l'atac.
• Dades: la quantitat de textos plans i xifrats necessària.

A la criptografia acadèmica, una debilitat o ruptura en un algorisme es defineixen d'una manera força conservadora. Bruce Schneier resumeix aquesta posició de la següent manera: "Trencar un xifrat simplement vol dir trobar una debilitat en el xifrat que pot ser explotada amb una complexitat inferior a la de la força bruta. No importa que la força bruta pogués requerir 2 ¹²⁸ xifrats, un atac que requereixi 2 ¹¹⁰ xifrats es consideraria una ruptura ... ja d'una manera simple, una ruptura pot ser només una debilitat certificacional: una evidència que el codi no és tan bo com es publicita " (Schneier, 2000).

Criptoanàlisi de criptografia asimètrica

La criptografia asimètrica (també anomenada criptografia de clau pública) és una criptografia que es basa a utilitzar dos claus: una privada i una pública. Aquestes xifres invariablement s'empren en problemes matemàtics "durs" com a base per a la seva seguretat, així que un punt obvi d'atac és desenvolupar mètodes per resoldre el problema. La seguretat d'una criptografia de dues claus depèn de qüestions matemàtiques d'una manera que no s'aplica a la criptografia de clau única, i recíprocament connecten la criptoanàlisi amb la investigació matemàtica en general de noves maneres.

Els algorismes asimètrics es dissenyen al voltant de la conjectura dificultat de resoldre certs problemes matemàtics. Si es troba un algorisme millorat que pot resoldre el problema, el criptosistema es veu debilitat. Per exemple, la seguretat del protocol Diffie-Hellman depèn de la dificultat de calcular un logaritme discret. El 1983, Don Coppersmith va trobar una manera més ràpida de calcular logaritmes discrets (dins de certs grups), i per tant, obligant als criptògrafs a utilitzar grups més grans, o diferents tipus de grups. La seguretat del protocol RSA depèn parcialment de la dificultat en la factorització d'enters. Un avanç en la factorització tindria un impacte clar en la seguretat de RSA.

El 1980, es podia factoritzar un nombre de 50 dígits amb un cost de 10 ¹² operacions elementals de computació. Per al 1984 la tecnologia en algorismes de factorització havia avançat fins al punt que es podia factoritzar un nombre de 75 dígits amb les mateixes 10 ¹² operacions. Els avenços en la tecnologia de computació també han provocat que aquestes operacions es puguin realitzar en un temps molt menor. La Llei de Moore prediu empíricament que les velocitats de computació continuaran augmentant. Les tècniques de factorització podrien mostrar un desenvolupament semblant, però amb gran probabilitat dependran de la capacitat i la creativitat dels matemàtics, cap de les quals ha estat mai satisfactòriament predictible. Nombres de 150 xifres, com els utilitzats en RSA, han estat factoritzats. L'esforç va ser més gran que l'esmentat anteriorment, però no estava fora dels límits raonables per a un ordinador modern. Al començament del segle xxi, els nombres de 150 xifres ja no es consideren prou grans com a clau per RSA. Nombres de centenars de dígits se seguien considerant massa difícils de factoritzar el 2005, encara que els mètodes probablement continuaran millorant amb el temps, obligant a les mides de clau a mantenir el ritme de creixement o desenvolupar nous algorismes.

Una altra característica distintiva dels algorismes asimètrics és que, a diferència dels atacs sobre criptosistemes simètrics, qualsevol criptoanàlisi té l'oportunitat d'usar el coneixement obtingut de la clau pública.

Aplicacions de la computació quàntica a la criptoanàlisi

Els ordinadors quàntics són potencialment útils per a la criptoanàlisi. Com que els estats quàntics poden existir en una superposició -és a dir, estar entrellaçats-, és possible un nou paradigma computacional, en què un bit no representa tan sols els estats 0 i 1, sinó qualsevol combinació lineal d'aquests. Peter Shor dels Laboratoris Bell va provar la possibilitat, i diversos equips han demostrat un aspecte o l'altre de la computació quàntica als anys transcorreguts des d'aleshores. De moment, només s'ha demostrat una molt limitada prova de possibles dissenys. No hi ha, a data del 2006, una perspectiva creïble d'un ordinador quàntic real i utilitzable.

No obstant això, en cas de construir un ordinador quàntic, moltes coses canviarien. La computació en paral·lel seria probablement la norma, i diversos aspectes de la criptografia canviarien.

En particular, atès que un ordinador quàntic seria capaç de fer cerques de claus mitjançant força bruta extremadament ràpides, mides de clau considerats avui en dia més enllà dels recursos de qualsevol atacant per força bruta quedarien a l'abast d'aquest atac. Les mides de clau necessàries per quedar més enllà de la capacitat d'un ordinador quàntic serien considerablement més grans que els actuals. Alguns escriptors de divulgació han declarat que cap xifrat romandria segur d'estar disponibles els ordinadors quàntics. Altres asseguren que simplement afegint bits a les longituds de les claus s'evitaran els atacs de força bruta, inclús amb ordinadors quàntics.

Una segona possibilitat és que l'augment en capacitat computacional pugui fer possibles altres atacs de cerca de claus, més enllà de la simple força bruta, contra un o diversos dels algorismes actualment inexpugnables. Per exemple, no tot el progrés en la factorització de nombres primers ha estat degut a una millora dels algorismes. Una part es deu a l'increment del poder computacional dels ordinadors, i l'existència d'un ordinador quàntic en funcionament podria accelerar considerablement les tasques de factorització. Aquest aspecte és bastant predictible, encara que no clarament. El que no pot ser anticipat és un avenç en el camp teòric que requereixi la computació quàntica, que pogués fer realitzables atacs actualment impracticables, o fins i tot, desconeguts. En absència d'un mètode per predir aquests avenços, només ens queda esperar.

Es desconeix si hi ha un mètode de xifrat en temps polinòmic que requereixi un temps exponencial per al seu desxiframent, i fins i tot, per un ordinador quàntic.

Mètodes de la criptoanàlisi

Criptoanàlisi clàssica:

• Anàlisi de freqüències
• Mètode Kasiski
• Índex de coincidència
• Índex mutu de coincidència

Algorismes simètrics:

• Criptoanàlisi diferencial
• Criptoanàlisi lineal
• Criptoanàlisi integral
• Criptoanàlisi estadística
• Criptoanàlisi de mòdul n
• Atac XSL (eXtended Sparse Linearisation)
• Atac de lliscament

Altres mètodes:

• Atac d'aniversari
• Atac Man-in-the-middle
• Atac Meet-in-the-middle
• Atac de força bruta
• Jardineria (criptoanàlisi)
• Anàlisi d'energia

Bibliografia

• Helen Fouché Gaines, "cryptanalysis", 1939, Dover. ISBN 0-486-20097-3.
• Abraham Sinkov, Elementary cryptanalysis: A Mathematical Approach , Mathematical Association of America, 1966. ISBN 0-88385-622-0.
• Ibraham A. "Al-Kindi: The origins of Cryptology: The Arab contributions", Cryptologia, 16 (2) (April 1992) pp. 97-126.
• David Kahn, "The Codebreakers - The Story of Secret Writing", 1967. ISBN 0-684-83130-9.
• Lars R. Knudsen: Contemporary Block Ciphers. Lectures on Data Security 1998: 105-126.
• Bruce Schneier, "Self-Study Course in Block Cipher cryptanalysis", Cryptologia , 24 (1) (January 2000), pp. 18-34.
• Friedrich L. Bauer: "Decrypted Secrets". Springer 2002. ISBN 3-540-42674-4.
• William F. Friedman, Military cryptanalysis, Part I, ISBN 0-89412-044-1.
• William F. Friedman Military cryptanalysis, Part II, ISBN 0-89412-064-6.
• William F. Friedman Military cryptanalysis, Part III, Simpler Varieties of Aperiodic Substitution Systems, ISBN 0-89412-196-0.
• William F. Friedman Military cryptanalysis, Part IV, Transposition and Fractionating Systems, ISBN 0-89412-198-7.
• William F. Friedman i Lambros D. Callimahos, 'Military Cryptanalytics,Part I, Volume I, ISBN 0-89412-073-5.
• William F. Friedman i Lambros D. Callimahos, 'Military Cryptanalytics,Part I, Volume I, ISBN 0-89412-074-3.
• William F. Friedman i Lambros D. Callimahos, Military Cryptanalytics, Part II, Volume I, ISBN 0-89412-075-1.
• William F. Friedman i Lambros D. Callimahos, 'Military Cryptanalytics,Part II, Volume I, ISBN 0-89412-076-X.

Enllaços externs

• http://distributedcomputing.info/ap-crypto.html #m4 Distributed Computing Projects (anglès)