Algoritmos De Seguridad Y Criptografía (1) 682q27

Algoritmos de Seguridad y Criptografía Daniel Hernández

Carlos Muñoz

Mauricio Nagua

RESUMEN.

En el presente informe se representan diferentes tipos de algoritmos de un alto rendimiento de encriptación de datos, entre ellos tenemos el método IDEA, método AES, método TRIPLE DES, método RSA y por último el método TwoFish, los cuales nos permite proteger la información mediante sus respectivos algoritmos de cifrado con un gran nivel de seguridad. El cifrado de información es una tecnología muy conocida para la protección y seguridad de información sensible.

Daniel Villafuerte

José Zambrano

(ver Figura 1), este proceso ocasiona el aumento del tamaño de la clave del algoritmo DES, con el fin de tomar medidas contra ataques de fuerza bruta [3].

INTRODUCCIÓN

La criptografía es una técnica o método para proteger nuestra información de personas con malas intenciones. Los algoritmos de cifrado se clasifican en dos tipos: el primero es el cifrado de clave simétrica y el segundo el cifrado de clave asimétrica. En el cifrado de clave simétrica, se utiliza la misma clave para cifrar y descifrar los datos. La clave debe ser compartida antes de enviarla al remitente y receptor. La longitud de la clave juega un papel importante en el cifrado de clave simétrica. 3DES, RC5, Twofish, AES son ejemplos de algoritmos de cifrado de clave simétricos. Para ofrecer una transferencia y almacenamiento seguro de datos e información, se formularon varios algoritmos de cifrado simétricos como el Data Encipherment Standard (DES), Rijndael Algorithm, Elliptic Curve Cryptography (ECC) entre otros [1], en el cifrado de clave asimétrica, hay un par de claves; Clave privada y clave pública. La clave pública se utiliza para el cifrado de datos y la clave privada se utiliza para el descifrado de los datos cifrados. En la comunicación segura, los Esquemas de cifrado simétricos realizan la parte real del cifrado de los datos, ya que son muy rápidos y los Esquemas de cifrado asimétricos asumen la responsabilidad de distribuir claves [2]. Palabras Claves: IDEA, AES, TRIPLE DES, MD5, RSA, TwoFish, Caja-S.

Figura 1 Algoritmo 3DES El algoritmo DES cifra los datos en bloques de 64 bits. Un bloque de texto simple de 64 bits va en un extremo del algoritmo y un bloque de texto cifrado de 64 bits sale por el otro extremo. DES es un algoritmo simétrico, para el proceso de cifrado y descifrado se utiliza el mismo algoritmo y clave, la longitud de dicha clave es de 56 bits. La única la seguridad esta alojada adentro de la clave. En su nivel más simple, el algoritmo no es más que una combinación de las dos técnicas básicas de encriptación: confusión y difusión. El bloque de construcción fundamental de DES es una combinación única de estas técnicas en el texto, basada en la clave. Esto se conoce como una ronda. DES tiene 16 rondas, aplica la misma combinación de técnicas en el bloque de texto simple 16 veces [4].

ALGORITMOS

A. Triple DES El algoritmo Triple DES (3DES) es una variante simple del algoritmo DES, consiste en implementar el algoritmo DES 3 veces, primero se realiza un cifrado, luego se efectúa un descifrado y finalmente se realiza un nuevo cifrado para poder obtener texto cifrado definitivo

B. IDEA (International Data Encryption Algorithm). El algoritmo IDEA está basado en el sistema de cifrado de clave la cual se puede caracterizar por sus tipos de simetría tanto para el cifrado y descifrado, la cual toma la adquisición de textos los cuales estén sin ningún tipo de formato y que posean 64 bis la cual permitirá al mismo

tiempo una salida de 64 bits utilizando una clave generada de 128 bit [5].

tl = t y 0xFFFF; th = t >> 16; retorno (tl - th) + (tl <= th); } Este algoritmo pide un total de seis sumas y restas, más una multiplicación de 16 bits y al final una comparación.

Figura 2 Algoritmo IDEA El algoritmo de encriptación IDEA realiza diversas operaciones en cada una de sus iteraciones (8 en total), las mismas que permiten en dividir un bloque de 64 bits en 4 partes iguales de 16 bits y cada una de las iteraciones se utilizan 6 subclaves y para la transformación final las 4 subclaves restantes. El algoritmo que se usa para descifrar los mensajes es el mismo que el empleado al momento de cifrarlos [6].

C. Twofish Es un algoritmo de código abierto [7] , de clave simétrica con el método de cifrado por bloques. Utiliza un tamaño de bloque de 128 bits y un tamaño de clave de 128, 192 y 256 bits, Twofish no usa claves débiles [7]. La característica única de Twofish es que utiliza cajas Sdependientes de la clave pre computadas y un complejo programa de claves, donde la clave se divide en dos mitades. La mitad de la clave se utiliza como clave real y la otra parte de la clave se utiliza para modificar el algoritmo. Twofish construye cuatro cajas S dependientes de la clave de 8x8 bits utilizando permutación [7]. El objetivo principal del uso de cajas S dependientes de la clave es que el atacante no sabe qué son realmente las cajas-S. Twofish es un diseño rápido, flexible y conservador. El diseño conservador significa que es fácil de extender para llaves más largas y hasta 124 rondas [8].

- Módulo de multiplicación 2n + 1. En el algoritmo IDEA, el módulo de multiplicación 216+ 1 se denomina como el de mayor complejidad debido a que ocupa una gran cantidad de recursos por parte de hardware. Para este módulo se enfatizó una arquitectura utilizo dos módulos con la capacidad de que se puedan rede codificar en un par de bits, para que pudieran tener el mejor rendimiento posible. Ejemplo: uint16 mulmod(uint16 x, uint16 y) { uint16 xd, yd, th, tl; uint32 t; xd = (x - 1) y 0xFFFFFF; yd = (y - 1) y 0xFFFFFF; t = (uint32) xd * yd + xd + yd + 1;

Figura.3 Esquema de encriptación de TwoFish Twofish proporciona seguridad eficiente, ya que se ha sido analizado criptográficamente, donde incluso los intrusos de la red solo pueden interrumpir cinco rondas del algoritmo [9]

- Twofish función El algoritmo de encriptación Twofish sigue los siguientes pasos: X0 y X1 a la izquierda de las entradas a las funciones g después de la rotación en 8 bits de una de ellas. La función g consta de cajas S dependientes de la clave de 4 bytes, seguidas de un paso de mezcla lineal. El resultado de las dos funciones g se combinan utilizando un PHT (Pseudo Hadamard Transform). Después de que se agreguen dos palabras clave. Una de ellas a la derecha se gira un bit y luego ambas palabras clave están en XOR en el resultado de la izquierda. Para la siguiente ronda, se intercambian las mitades derecha e izquierda [10]. - Ventajas de Twofish  No tiene derechos de autor.  Ampliamente criptoanalizado.  No esta patentado.  Diseñado para ser eficiente y compatible con una amplia variedad de plataformas como, de 32 bits.  U, tarjetas inteligentes de 8 bits y hardware VLSI dedicado.  Twofish toma menos tiempo para cifrar el documento en comparación con Blowfish.  Twofish es un cifrado de bloque de 128 bits relativamente moderno que es una caída para AES, por la sencilla razón de que fue diseñado para ser AES. - Desventajas de Twofish  No fue seleccionado, declarado como el mejor algoritmo en la final de su presentacion, aunque es uno de los cifrados de bloque simétrico seguro más avanzados en uso.  Carece de velocidad de cifrado en comparación con el pez globo [11]. - Antecedentes de Twofish Fue uno de los cinco finalistas del concurso Advanced Encryption Standard. Este algoritmo, en estructura, se basa en Blowfish y Bruce Schneier lo ha introducido como el algoritmo evolutivo de Blowfish. La repetición de la red Feistel por 16 veces (16 rondas) ha intentado proporcionar su mejor fuerza y capacidad - Función de las Cajas-S Las Cajas-S reciben un numero de bits m y los convierten a un numero de bits n de salida, donde m no puede ser igual a m.

D. RSA La comunicación de datos y la protección del mismo es un aspecto muy importante y esencial. Un cryptosystem define un par de transformaciones de datos designadas código y descripción. El código es aplicado al texto puro o sea los datos para ser comunicado para producir texto de la cifra o sea datos encriptas usando llaves. El mensaje está encripto con llave pública y sólo puede ser descifrado usando la llave privada. El mensaje encripto no puede ser descifrado por alguien que sabe la llave pública y así la comunicación segura es posible. RSA (denominada de sus autores – Rivest, Shamir y Adleman) es el algoritmo más crucial público popular. Confiado en el problema de factorización de matemáticas que indica un número tan muy grande dado es realmente imposible en el aspecto del hoy para encontrar dos números primos cuyo producto es el número dado. La codificación del sistema RSA se compone de dos números muy grandes primos (p) y (q), calculando su producto(n=p.q).

- Elegir las claves Ejemplo se elige 2 números primos; p=53 y q=97 Se aplica producto n=q.p=5141 Se aplica Euler; Ê(n)=(p-1) . (q-1). Se elige otro número primo e=7 La clave pública seria (n,e)(n=5141,e=7)

- Cifrado Al enviar un mensaje, la web busca una clave pública y debe usar los números n y e, y debe transformar cada letra del mensaje en su respectivo orden alfabético. Por ejemplo [je vous aime] (Te quiero) se convierte en [10, 05, 22, 15, 21, 19, 01, 09, 13, 05] El mensaje cifrado se convierte en: [10052215211901091305] Y al agrupar los dígitos. 10052215211901091 305 10052215211901 091 305 10052215211 901 091 305

Se agrupa de 3 en 3 10 052 215 211 901 091 305 Por último, se añade los ceros a la izquierda q se necesite. 010 052 215 211 901 091 305 Los bloques de 8 se cifran con la formula C=Be (mod n), siendo C es cifrado y B es claro. El mensaje queda de la siguiente manera {0755 1324 2823 3550 3763 2237 2052} - Descifrado Si se ha guardado en secreto p y q la clave (d) q es su clave privada. Debe satisfacer la ecuación [e x d mod Ê(n) = 1.] 6. 4992 + 1 = 7. 4279, por lo tanto d = 4279

Figura 4. Número de rondas en función de la longitud de clave. Las etapas de transformaciones son: SubByte, ShiftRow, MixColum, AddRounKey.

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Encriptación AES

Para lograr encriptar los datos se debe aplicar el estado de las cuatro operaciones: SubByte, ShiftWor, MixColumn, AddRoundKey durante un número enterminado de rondas. Nr dicho número de rondas viene establecido por la dimensión de la clave utilizada, estableciendo Nr = 10 para 128 bits, Nr = 12 para 192 bits, Nr = 14 para 256 bits.

Los cifrados C se encuentra mediante B = Cd (mod n) Al realizar operaciones su resultado es; 010 052 215 211 901 091 305 Se vuelve a reemplazar los números por las letras en su respectivo orden alfabético y se obtiene el mensaje la cave secreta (d = 4279.

E. AES (Advanced Encryption Standard) El algoritmo de cifrado AES muy conocido por sus siglas que significan Advanced Encryption Standard (Estándar de cifrado avanzado), sus inicios se remontan en el año de 1997, actualmente es reconocido como unos de los algoritmos más seguros en por la NIST (National Institute of Standards and Technology) para protección de datos clasificados. AES es un algoritmo de encriptación simétrico por bloques, es decir encripta y desencriptar la información en bloques de 128 bits, la clave establecidas pueden ser de 128, 192 o 256 bits, el algoritmo AES es muy elegido por sus aspectos basados en métricas como: arquitecturas, limitaciones, seguridad, flexibilidad y escalabilidad [1]. - Estructura AES Su estructura consiste [10],en una serie de rondas donde se hace la realización de un conjunto de 4 transformaciones enfocadas a bytes, el número de rondas es dependiente del tamaño de la clave.

Figura 5. Proceso de Encriptado.

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Desencriptado AES

Para hacer uso del proceso de descifrado, se debe saber la longitud de la clave escogida, es decir si la clave escogida es de 128 bits implicaría 10 rondas. AES es un cifrador de clave simétrico, que quiere decir que la clave que se ha usado para cifrar los datos es la misma que se

deberá usar para descifrarlos. El proceso de descifrado consiste en el uso inverso al del cifrado.

configurados de diversas maneras, estos algoritmos son considerados de alto rendimiento los cuales permiten una mayor seguridad al momento de guardar información que se desea que no sea observada terceras personas. Los diferentes algoritmos estudiados en este informe son considerados de alto nivel para cifrar información sensible, la realización de encriptación información es requerida en la actualidad para establecer la protección de nuestros datos, ya que la importancia de los datos es muy esencial, existe una variedad de algoritmo de cifrados y no se duda que con el pasar de los tiempo aparezcan más algoritmos de encriptación que busquen optimizar el proceso de cifrado.

BIBLIOGRAFÍA

[1]

Shivlal Mewada, Pradeep Sharma, S. S. Gautam, «Exploration of efficient symmetric AES algorithm,» 2016 Symposium on Colossal Data Analysis and Networking, CDAN 2016, nº ISB: 9781509006694, pp. 2-8, 2016.

[2]

R. S. a. T. Guneysu, «Exploiting the Power of GPUs for Asymmetric Cryptography,» 2008. [En línea]. Available: https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2 F978-3-540-85053-3_6.pdf.

[3]

J. S. G. t. V. a. E. C. F. Guerra, «Baerends, “The PPP Triple-DES Encryption Protocol (3Taller internacional sobre hardware criptográfico y sistemas embebidosDESE)Status,” Theor,» vol. 99, p. 391, 1998.

[4]

I. John Wiley & Sons, «B. Schneier, Applied Cryptography, Second Edition: Protocols, Algorthms, and Source Code in C (cloth).,» 1996. [En línea].

[5]

S. L.-B. F. J. G. a. J. M. Ivan Gonzalez, «Using Partial Reconfiguration in Cryptographic Applications: An Implementation of the IDEA Algorithm,» Springer Link., vol. 2778, p. 1994, 2003.

[6]

K. T. P. L. a. M. L. O.Y.H. Cheung, «Tradeoffs in Parallel and Serial Implementations of the International Data

Figura 6. Proceso de descifrado. CONTRASTE

El algoritmo Triple DES ofrece una seguridad de 192 bits a un texto, brindándole al mismo una mayor resistencia ante ataques de fuerza bruta, pero, para generar dicha cantidad de bits, el algoritmo 3DES repite 3 veces el algoritmo DES, por lo que dicho proceso lo convierte en un algoritmo de cifrado lento. El algoritmo IDEA determina una seguridad de 128 bits la cual se divide en dos bloques de 64 bits a la misma ves por su complejidad se divide en 4 partes iguales el cual permite generar una clave para brindar mayor protección, pero así mismo llega a ocupar una gran cantidad de hardware debido al proceso que realiza de repetir varias veces su módulo de encriptación lo que lo conlleva a realizar procesos de multiplicación 2n+1 donde constan de sumas y restas. El algoritmo AES es uno de los algoritmos más seguro, es muy conocido por su fuerte seguridad de 256 bits, que es usado por grandes empresas y también para cifrar información ultrasecreta, por razones de convivencia y seguridad, se exige una VPN con cifrado ASE de 256 bits. CONCLUCIONES

En el presente informe se representaron diferentes modelos de algoritmos de encriptación que son

Encryption Algorithm IDEA,» 2001. [En línea]. Available: https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2 F3-540-44709-1_28.pdf.

]

[7]

D. D. Rane, «Superiority of Twofish over Blowfish,» 2016. [En línea].

[8]

H. D. H. M. MD Asif Mushtaque, «Evaluation of DES, TDES, AES, Blowfish and Two fish Encryption Algorithm: Based on Space Complexity,» International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), vol. 3, nº ISSN: 2278-0181, p. 4, 2014.

[9]

O. O. K. H. P. T. Marwan Ali Albahar, «Novel Hybrid Encryption Algorithm Based on Aes, RSA, and Twofish for Bluetooth Encryption,» vol. 2, p. 9, 2018.

[10

I. Ofelia, V. Méndez, E. Arte, AES como Estándar Internacional de Cifrado, Madrid, España, 2018, pp. 65-70.