Al consultar tu correo electrónico mediante una conexión segura o al hacer una compra en una tienda en línea, ¿te has preguntado alguna vez cómo se protege tu información privada o los datos de tu tarjeta de crédito?
Nuestra información se mantiene alejada de miradas indiscretas gracias a los algoritmos criptográficos, que transforman el mensaje para que nadie más pueda leerlo, salvo su destinatario. Pero ¿qué son estos algoritmos, cómo llegaron a utilizarse ampliamente y hasta qué punto son seguros?
Mensajes codificados
Los primeros métodos criptográficos se remontan, de hecho, a miles de años atrás, a la antigua Grecia. En efecto, la palabra «criptografía» combina las palabras griegas para «secreto» y «escritura».
Por ejemplo, los espartanos utilizaban, como es bien sabido, un sistema en el que enrollaban un trozo de papiro alrededor de un bastón de cierto grosor y escribían el mensaje a lo largo del bastón. Al desenrollar el papiro, el mensaje quedaba desordenado hasta llegar a su destino, donde se enrollaba alrededor de otro bastón con la circunferencia correcta.
Los primeros algoritmos de cifrado, como estos, debían ser aplicados manualmente por quien enviaba y quien recibía el mensaje. Por lo general, consistían en sencillas reorganizaciones de letras, como la transposición o la sustitución.
El más famoso es el «cifrado César», utilizado por los comandantes militares del emperador romano Julio César. Cada letra del mensaje se sustituía en el texto cifrado por otra letra, desplazada varias posiciones hacia delante en el alfabeto.
Con el tiempo, sin embargo, estos métodos sencillos han demostrado ser inseguros, ya que quienes interceptaban los mensajes —llamados criptoanalistas— podían aprovechar características estadísticas simples del texto cifrado para recuperar fácilmente el texto original e incluso la clave de descifrado, lo que les permitía descifrar con facilidad cualquier mensaje futuro que empleara ese sistema.
La informática moderna ha hecho viable el uso de algoritmos de cifrado mucho más complejos, más difíciles de «romper» para los criptoanalistas. A la par, estos han adoptado y desarrollado dicha tecnología para mejorar su capacidad de vulnerar los criptosistemas.
Esto queda ilustrado por la historia del criptosistema Enigma utilizado por el ejército alemán durante la Segunda Guerra Mundial, dramatizada más recientemente en la película The Imitation Game.
El algoritmo de cifrado relativamente complejo de Enigma se implementó mediante tecnología informática electromecánica para hacer viable su uso en las comunicaciones militares alemanas. Los criptoanalistas británicos utilizaron una evolución de esa misma tecnología en las máquinas «bombe» para hacer viable la ruptura del cifrado.
Criptosistemas actuales
Los criptosistemas de uso generalizado hoy en día tienen su origen en la década de 1970, cuando empezaron a utilizarse las computadoras electrónicas modernas. El Estándar de Cifrado de Datos (DES) fue diseñado y normalizado por el gobierno estadounidense a mediados de la década de 1970 para su uso en la industria y el gobierno. Estaba pensado para implementarse en computadoras digitales y utilizaba una secuencia relativamente larga de operaciones de transposición y sustitución sobre cadenas binarias.
Pero DES tenía un problema importante: la longitud de su clave secreta era relativamente corta (56 bits). De la década de 1970 a la de 1990, la velocidad de las computadoras aumentó en varios órdenes de magnitud, lo que hizo cada vez más viable la criptoanálisis por «fuerza bruta» —una búsqueda simple entre todas las claves posibles hasta encontrar la clave de descifrado correcta— como amenaza para este sistema.
En cambio, su sucesor, el Estándar de Cifrado Avanzado (AES), utiliza claves de al menos 128 bits y actualmente es el criptosistema más popular para proteger las comunicaciones por Internet.
El problema de las claves
AES también tiene limitaciones. Como todos los criptosistemas anteriores, se conoce como criptosistema de clave simétrica, en el que la clave secreta es conocida tanto por quien cifra el mensaje (llamémosla Alice) como por quien lo descifra (llamémoslo Bob).
Al ser secreta, la clave no puede intercambiarse sin más por un canal de comunicación público como Internet. Si alguien la interceptara, quedarían comprometidos todos los mensajes cifrados futuros. Y si se quiere cifrar la clave, bueno, eso plantea otro problema: cómo proteger ese método de cifrado.
Por tanto, Alice y Bob deben utilizar primero un canal de comunicación privado, como reunirse en persona, para intercambiar la clave secreta antes de poder usar el criptosistema para comunicarse en privado. Esto supone un obstáculo práctico importante para las comunicaciones por Internet, donde Alice y Bob a menudo no disponen de un medio de comunicación privado de ese tipo.
Para superar este obstáculo —conocido como el problema de distribución de claves—, en la década de 1970 se ideó otro ingenioso tipo de criptosistema, denominado de clave asimétrica o criptosistema de clave pública.
En un criptosistema de clave pública, el destinatario, Bob, genera dos claves: una es una clave secreta que se guarda para descifrar los mensajes; la otra es una clave pública de cifrado que Bob envía a Alice por un canal público. Alice puede usar la clave pública de cifrado para cifrar sus mensajes dirigidos a Bob. Pero solo Bob puede descifrarlos con su clave privada. Así, ofrece una solución al problema de distribución de claves de los criptosistemas de clave simétrica.
En las aplicaciones prácticas se utilizan ambos tipos de criptosistemas, debido a que los sistemas de clave pública requieren más capacidad de cálculo que los sistemas de clave simétrica. Un criptosistema de clave pública se usa únicamente para distribuir una clave para un sistema de clave simétrica como AES; después, el sistema de clave simétrica se utiliza para cifrar todos los mensajes posteriores.
Por consiguiente, la privacidad resultante depende de la seguridad de los criptosistemas de clave simétrica y de clave pública utilizados. Los criptosistemas de clave pública más utilizados hoy en día fueron ideados en la década de 1970 por investigadores de Stanford y el MIT. Se conocen como el criptosistema RSA (por las iniciales de sus creadores, Ron Rivest, Adi Shamir y Len Adleman) y el sistema Diffie-Hellman, y emplean técnicas de un área de las matemáticas conocida como teoría de números.
Una guía en video del popular criptosistema RSA.
Fortalezas y debilidades
Entonces, ¿qué seguridad ofrecen hoy los sistemas AES y RSA/Diffie-Hellman?
La seguridad práctica de cualquier criptosistema depende tanto de sus propiedades de diseño matemático (su «seguridad matemática») como de los detalles de su implementación y uso (su «seguridad de implementación»). Aquí me centraré en la seguridad matemática, pero añadiré que las malas implementaciones de la criptografía y su uso indebido han estado en el origen de numerosas vulnerabilidades de seguridad descubiertas a lo largo de los años.
La seguridad matemática de los criptosistemas modernos AES y RSA/Diffie-Hellman se basa en la suposición de que la complejidad computacional de ciertos problemas matemáticos es demasiado elevada para que los atacantes puedan resolverlos en un tiempo razonable con la tecnología informática actual.
Aunque estas suposiciones sobre la complejidad no pueden demostrarse matemáticamente en la actualidad, el hecho de que la comunidad de investigación criptográfica las haya estudiado durante un tiempo considerable (más de 15 años en el caso de AES y más de 30 años en el de los sistemas RSA y Diffie-Hellman) y de que sigan siendo válidas constituye una evidencia bastante sólida a su favor.
Además, en los sistemas RSA y Diffie-Hellman, los problemas matemáticos subyacentes son problemas naturales estudiados de forma independiente por matemáticos que trabajan en teoría de números.
Más concretamente, vulnerar el sistema RSA está estrechamente relacionado con el problema de factorizar grandes enteros compuestos en un producto de números primos, mientras que la seguridad del sistema Diffie-Hellman se basa en el problema de hallar el logaritmo de un entero dado (en una base determinada) módulo un número primo dado.
Estos dos ejemplos son problemas estudiados en teoría de números desde, al menos, el siglo XVIII; sin embargo, los matemáticos aún no han descubierto algoritmos eficientes para resolverlos. Esto podría darnos cierta confianza en su dificultad computacional.
No obstante, los importantes avances matemáticos de los últimos 30 años han permitido resolver esos problemas en menos tiempo del que se suponía. Esto, junto con el aumento de la velocidad de la tecnología informática, ha hecho necesario utilizar claves más largas para garantizar un nivel de seguridad determinado frente a los mejores algoritmos de ataque conocidos.
Por ejemplo, las longitudes estimadas de las claves RSA para un nivel de seguridad típico han pasado de unos 400 bits a principios de la década de 1980 a más de 1.200 bits en la actualidad.
Hasta ahora, los aumentos graduales de la longitud de las claves han bastado para compensar los avances de la tecnología informática en la resolución de problemas. Pero sigue siendo perfectamente posible que futuros avances revolucionarios en la investigación algorítmica vuelvan inseguros sistemas como RSA, sea cual sea la longitud práctica de sus claves.
Por ejemplo, en 2013, un equipo de investigadores europeos halló algoritmos eficientes para resolver ciertas variantes del problema del logaritmo discreto (conocido como problema discreto en campos finitos de característica pequeña). Aunque aparentemente no son aplicables a las variantes de los problemas que suelen utilizarse en la criptografía RSA y Diffie-Hellman, esto demuestra la fragilidad de la carrera del gato y el ratón entre la seguridad de los criptosistemas y los avances naturales de las matemáticas.
El futuro de la criptografía
Veo dos posibles avances que podrían tener un gran impacto en la criptografía.
El primero está relacionado con el desarrollo de la tecnología cuántica. En un resultado teórico revolucionario de la década de 1990, el matemático Peter Shor demostró el potencial de una computadora cuántica a gran escala. Esta aprovecha los principios de la mecánica cuántica para resolver eficientemente los problemas de factorización de enteros y del logaritmo discreto, lo que dejaría inseguros los sistemas RSA y Diffie-Hellman.
Aunque la computación cuántica a gran escala aún no se ha materializado (y las perspectivas de que llegue a hacerlo siguen sin estar claras), no se puede exagerar el impacto que podría tener en la criptografía.
Por fortuna, los investigadores ya han ideado dos posibles enfoques para afrontar este problema si se presenta en el futuro. Uno consiste en desarrollar criptosistemas de clave pública que, según se cree, son seguros incluso frente a ataques de computación cuántica. El otro es la criptografía cuántica, una técnica de comunicación que se basa en supuestos físicos y en las leyes de la física cuántica para proporcionar seguridad.
El segundo posible avance está relacionado con el uso cada vez mayor de la computación en la nube. Por desgracia, si no se utiliza el cifrado para proteger los datos privados almacenados, la privacidad de esos datos frente al servidor en la nube (o cualquier otra entidad que tenga acceso a sus datos, como un pirata informático) queda comprometida.
Por otro lado, el uso de algoritmos de cifrado convencionales por parte del usuario también impide que el servidor realice operaciones útiles sobre los datos para el usuario (por ejemplo, buscarlos). Actualmente, la comunidad de investigación criptográfica está desarrollando nuevos tipos de criptosistemas para superar esta aparente paradoja y permitir que el servidor procese los datos cifrados sin revelárselos.
Como se puede ver, el estado actual de la criptografía es lo bastante sólido como para proteger la mayoría de nuestros correos electrónicos y transacciones en línea, pero no hay certeza absoluta sobre su futuro. El futuro —en particular, la computación cuántica— podría dar lugar a sistemas criptográficos aún más sólidos, pero también plantea la posibilidad de nuevas formas de vulnerarlos. La carrera del gato y el ratón continúa.
Este artículo se publica en colaboración con The Conversation. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autor: Ron Steinfeld es profesor titular de Tecnología de la Información en la Universidad de Monash.
Imagen: Una mano aparece en silueta frente a la pantalla de una computadora. REUTERS/Pawel Kopczynski.
