La criptografía es la base de cualquier mecanismo de seguridad informática. Se utiliza habitualmente en un login web, en el envío de correos electrónicos, o incluso cuando se produce la sincronización de archivos en la nube, entre otros. Todos los protocolos de comunicación que utilizan SSL/TLS en TCP/IP [1] hacen uso de criptografía asimétrica para autenticación y firma digital. Estos algoritmos se basan en complejos cálculos matemáticos de una sola vía, es decir, son fáciles de realizar, pero muy difíciles de revertir. Si bien los ordenadores actuales no son capaces de romper estos algoritmos en periodos de tiempo aceptables, las computadoras cuánticas, hoy en sus albores de desarrollo, sí podrán hacerlo fácilmente. Es aquí donde surge la necesidad de algoritmos de cifrado que sean resistentes a ataques cuánticos. Estos algoritmos, denominados post cuánticos, si bien están en sus primeras etapas de investigación, resultarán de suma utilidad en un futuro cercano, en el que las técnicas de cifrado asimétrico actuales no puedan brindar la privacidad, autenticación e integridad de los datos en Internet. El presente trabajo de investigación pretende dar luz en este moderno campo de estudio, analizando las implementaciones de software y bibliotecas de programación disponibles en la actualidad.
La criptografía es la base de cualquier mecanismo de seguridad informática. Se utiliza habitualmente en un login web, en el envío de correos electrónicos, o incluso cuando se produce la sincronización de archivos en la nube, entre otros. Todos los protocolos de comunicación que utilizan SSL/TLS en TCP/IP [1] hacen uso de criptografía asimétrica para autenticación y firma digital. Estos algoritmos se basan en complejos cálculos matemáticos de una sola vía, es decir, son fáciles de realizar, pero muy difíciles de revertir. Si bien los ordenadores actuales no son capaces de romper estos algoritmos en periodos de tiempo aceptables, las computadoras cuánticas, hoy en sus albores de desarrollo, sí podrán hacerlo fácilmente. Es aquí donde surge la necesidad de algoritmos de cifrado que sean resistentes a ataques cuánticos. Estos algoritmos, denominados post cuánticos, si bien están en sus primeras etapas de investigación, resultarán de suma utilidad en un futuro cercano, en el que las técnicas de cifrado asimétrico actuales no puedan brindar la privacidad, autenticación e integridad de los datos en Internet. El presente trabajo de investigación pretende dar luz en este moderno campo de estudio, analizando las implementaciones de software y bibliotecas de programación disponibles en la actualidad.
La adopción del protocolo HTTPS para brindar seguridad a gran parte del tráfico web de Internet pone el foco en los algoritmos de cifrado que proveen las implementaciones de SSL/TLS. La capacidad de cómputo de los ordenadores actuales permite concluir que algoritmos asimétricos como RSA son seguros. No obstante, estos mecanismos son vulnerables al criptoanálisis cuántico, por lo que disponer de una computadora cuántica pondría en peligro la seguridad de los datos cifrados con algoritmos asimétricos como RSA. La computación cuántica es un hecho, y que es cuestión de tiempo para que se fabriquen computadoras cuánticas de cientos de qubits, por lo que es necesario encontrar alternativas a los algoritmos de cifrado y autenticación clásicos. La criptografía postcuántica cubre esta necesidad proveyendo una serie de algoritmos resistentes a ataques cuánticos. Existen proyectos que aportan librerías de desarrollo bajo licencias de código abierto. OQS provee una librería de algoritmos resistentes, y su integración en protocolos y aplicaciones como OpenSSL, una de las implementaciones de SSL/TLS de código abierto más utilizadas. El presente trabajo de investigación analiza la integración de estas implementaciones de OpenSSL en el servidor web Apache2 para brindar un servicio HTTPS resistente a ataques cuánticos.
Actualmente la mayoría de los protocolos de aplicación en Internet delegan su seguridad a la capa TLS por medio de implementaciones de software tales como OpenSSL y wolfSSL. Esta capa genera un canal seguro entre cliente y servidor para ofrecer privacidad, autenticidad e integridad a los datos que transitan la red. TLS utiliza criptografía asimétrica para lograr la autenticación e intercambio de las claves. Estos métodos se basan en supuestos de complejidad computacional, por lo que hacen uso de funciones matemáticas muy simples de calcular, pero extremadamente difíciles de revertir haciendo uso de los procesadores actuales. No obstante, estos mecanismos se consideran vulnerables al criptoanálisis realizado desde computadoras cuánticas. Aún así, existen algoritmos asimétricos que se consideran resistentes a este tipo de ataque: los algoritmos post-cuánticos. Este trabajo estudió el estado del arte en el campo de la criptografía post-cuántica, mencionó los avance en el proceso de estandarización y los algoritmos candidatos más prometedores en la actualidad. Además, analizó las implementaciones de software y librerías de código abierto que han alcanzado mayor nivel de madurez, y que a su vez cuentan con un desarrollo activo. Se detallaron dos implementaciones de TLS: wolfSSL y las variantes de OpenSSL provistas por el proyecto Open Quantum Safe, OQS-OpenSSL; y se realizaron experimentos de integración de estas implementaciones con HTTP y OpenVPN como protocolos de capa de Aplicación.
¿QUÉ ES LA CRIPTOGRAFÍA?Esta sección aborda el tema de la criptografía.La criptología incluye dos técnicas complementarias: la Criptografía y el criptoanálisis [Martorell 00].El criptoanálisis, es el estudio de técnicas matemáticas para tratar de vulnerar técnicas criptográficas, y en general, servicios de seguridad de la información [Menezes, Oorshot y Vanstone 96].La criptografía es: "... el estudio de técnicas matemáticas relacionadas con aspectos de la seguridad de la información tales como la confidencialidad, integridad de datos, autenticación de entidades, y autenticación de origen de los datos.La criptografía no es el único medio de proveer seguridad de la información, sino un conjunto de técnicas" [Menezes, Oorshot y Vanstone 96].Otra definición, un poco más precisa, es "Rama inicial de las Matemáticas y en la actualidad también de la Informática y la Telemática, que hace uso de métodos y técnicas con el objeto principal de cifrar, y por tanto proteger, un mensaje o archivo por medio de un algoritmo, usando una o más claves" [Ramió 06].Es importante mencionar que los esquemas de cifrado no son invulnerables.Por ejemplo, un espía, después de invertir un periodo de tiempo atacando el código, podría descifrar los datos.Este periodo de tiempo es importante porque la vida útil de la clave debe estar correlacionada con la vida útil de los datos que están siendo protegidos.En algunos casos un día es suficiente, mientras que en otros debería permanecer invulnerable de manera indefinida.El ataque más simple que puede realizar un atacante para saber cuál clave se está usando en una comunicación, es hacer una búsqueda exhaustiva o de
Desde que apareció la idea de utilizar computadores cuánticos para resolver problemas matemáticos de gran complejidad que no podrían ser resueltos en tiempo polinomial por computadores clásicos inició una carrera en la que compiten dos equipos: los que desarrollarán el primer computador cuántico de uso general y los que descubrirán como poder resistir al uso malicioso de estos nuevos computadores. La criptografía post-cuántica trata de imponerse a esta situación investigando nuevos algoritmos que reemplacen a los algoritmos actuales de clave pública como RSA dando lugar a sistemas resistentes tanto a algoritmos clásicos como a cuánticos antes de que la amenaza de un computador cuántico pueda acabar, entre otros peligros y en especial, con la seguridad y la privacidad en las comunicaciones a través de Internet. Se refleja en este proyecto el estado actual de la investigación en esta materia: algoritmos criptográficos basados en problemas que no pueden ser resueltos por computadores cuánticos, desarrollos y patentes, aplicaciones actuales y futuras, etc. dejando al lector una fuente de recursos óptima para su iniciación en la criptografía post-cuántica.
Los avances en el campo de la computación cuántica obligan a desarrollar e implementar algoritmos criptográficos resistentes a ataques en ordenadores cuánticos (criptografía pos-cuántica) de forma urgente. La seguridad de los criptosistemas asimétricos actuales se basa en la dificultad de factorizar números enterosgrandes o resolver problemas de logaritmos discretos. Sin embargo, estos problemas matemáticos se puedenresolver en tiempo polinomial (eficientemente) usando ordenadores cuánticos. En respuesta, se realiza una intensa investigación sobre la criptografía pos-cuántica. Esta ciencia es el estudio de los esquemas criptográficos que serían seguros contra los adversarios que tienen computadoras cuánticas y clásicas y que a su vez pueden implementarse sin cambios drásticos en las redes y protocolos de comunicación existentes. Este artículo ofrece una descripción general del estado del arte de los esquemas asimétricos alternativos que tienen la capacidad de resistir ataques en ordenadores cuánticos y considera sus principales características.
En un futuro cercano, la computación cuántica tendrá mucha influencia sobre la seguridad de las comunicaciones, con relevancia en entornos críticos como por ejemplo en defensa. Por esta razón cobra gran importancia plantear posibles soluciones como la criptografía cuántica y poscuántica. Surge entonces una pregunta; ¿Corre peligro la seguridad de las comunicaciones militares? Lo cierto es que con la cada vez más cercana llegada de la computación cuántica, la respuesta a esta pregunta es clara. Por ello es necesario anticiparse a la futura obsolescencia de los sistemas criptográficos actuales, sobre los que se sustenta toda la protección de datos clasificados y de operaciones estratégicas. En este Trabajo de Fin de Grado se exponen los fundamentos de la criptografía moderna para estudiar su evolución, las amenazas emergentes derivadas de la computación cuántica y las líneas de investigación que permitirán mantener la seguridad de las comunicaciones en defensa. El TFG se estructura en tres grandes bloques: criptografía clásica, cuántica y poscuántica. En primer lugar, se han tratado los principales algoritmos clásicos empleados actualmente, tanto simétricos como asimétricos, destacando sus vulnerabilidades frente a los algoritmos cuánticos de Shor y Grover. En segundo lugar, se ha analizado la criptografía cuántica (QKD), siendo una posible alternativa, cuya fortaleza se basa en leyes físicas. Sin embargo, aunque estos sistemas ofrecen un nivel de seguridad teóricamente inquebrantable, su implementación práctica sigue limitada por la necesidad de equipos específicos, la dependencia de autenticación clásica y los elevados costes de despliegue. Por último, se ha estudiado la criptografía poscuántica (PQC). Una gran alternativa, que propone algoritmos matemáticos resistentes a ataques cuánticos, con la ventaja de ser compatibles con la infraestructura existente. Además, se ha realizado una entrevista al experto Luis Fernando Hernández Encinas, cuyos resultados serán incluidos junto con la revisión bibliográfica en un análisis DAFO que permite identificar las fortalezas, debilidades, oportunidades y amenazas de ambas tecnologías. De este análisis se concluye que, la criptografía clásica se encuentra en fase de obsolescencia estratégica, mientras que la criptografía cuántica y la poscuántica representan los pilares de la seguridad futura. La primera ofrece una protección teórica total, aunque todavía no es viable a gran escala. La segunda, en cambio, constituye una solución práctica e inmediata para iniciar la transición.