Este proyecto se centra en la implementación de la Distribución Cuántica de Claves (QKD) para mejorar la seguridad de las Redes Privadas Virtuales (VPN). La computación cuántica representa una amenaza significativa para los métodos de criptografía tradicionales como RSA. QKD ofrece una solución prometedora al permitir la transmisión segura de claves criptográficas. Este proyecto implementa y evalúa la viabilidad de QKD en entornos de VPN, demostrando mejoras en la seguridad contra ataques cuánticos. La metodología incluye investigación, desarrollo y redacción. Se configuraron clientes Linux conectados por WireGuard y se programó la comunicación basada en ETSI QKD 004. Las conclusiones destacan que la implementación de QKD en VPNs mejora significativamente la seguridad y privacidad de las comunicaciones, añadiendo una capa adicional de protección. Además, la ciberseguridad es una inversión que se amortiza a largo plazo. En resumen, los resultados muestran que la integración de QKD en VPNs es una solución efectiva para fortalecer la ciberseguridad.
Este proyecto se centra en la implementación de la Distribución Cuántica de Claves (QKD) para mejorar la seguridad de las Redes Privadas Virtuales (VPN). La computación cuántica representa una amenaza significativa para los métodos de criptografía tradicionales como RSA. QKD ofrece una solución prometedora al permitir la transmisión segura de claves criptográficas. Este proyecto implementa y evalúa la viabilidad de QKD en entornos de VPN, demostrando mejoras en la seguridad contra ataques cuánticos. La metodología incluye investigación, desarrollo y redacción. Se configuraron clientes Linux conectados por WireGuard y se programó la comunicación basada en ETSI QKD 004. Las conclusiones destacan que la implementación de QKD en VPNs mejora significativamente la seguridad y privacidad de las comunicaciones, añadiendo una capa adicional de protección. Además, la ciberseguridad es una inversión que se amortiza a largo plazo. En resumen, los resultados muestran que la integración de QKD en VPNs es una solución efectiva para fortalecer la ciberseguridad.
Este trabajo desarrolla una prueba de concepto sobre comunicaciones con cifrado cuántico aplicada a la red de telecomunicaciones gestionada por NASERTIC. El objetivo principal es analizar el potencial de la distribución cuántica de claves (QKD) para reforzar la seguridad de las comunicaciones y evaluar su viabilidad en un entorno real. El proyecto parte del estudio de las tecnologías cuánticas aplicadas a la protección de datos y, en particular, de los principios físicos que permiten detectar intentos de interceptación durante el intercambio de claves. Sobre esta base, se aborda tanto el estado del arte de la criptografía cuántica como el análisis comparativo de distintas soluciones técnicas y comerciales orientadas a su posible implantación en redes de telecomunicación. A partir de este estudio, se plantea el diseño de una prueba de concepto que incluye la evaluación de la arquitectura necesaria, la selección preliminar de equipamiento y el análisis de su posible integración en un escenario real de red. Asimismo, el trabajo incorpora tareas de configuración inicial, simulación y validación funcional, con el propósito de sentar las bases técnicas del proyecto y facilitar una futura transición hacia pruebas con hardware QKD real.
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.
En un futuro, cuando las computadoras cuánticas, aunque no estén disponibles para el público, lleguen a ser una realidad, los atacantes podrán desencriptar la información de las redes fácilmente debido a la capacidad de los ordenadores cuánticos de resolver ciertos problemas con una rapidez inimaginable. Esto podrá causar grandes pérdidas económicas y filtraciones masivas de datos de millones de empresas y personas. Las computadoras logran resolver determinados problemas mucho más eficientemente que los sistemas clásicos, y eso impacta directamente en la seguridad. La tecnología de Distribución Cuántica de Claves (QKD, sus siglas en inglés), podría considerarse una de las soluciones más prometedoras para garantizar la seguridad de las comunicaciones en una época post-cuántica. Existen otras soluciones como PQC, pero este trabajo se centrará exclusivamente en QKD. Sin embargo, las implementaciones reales de QKD no están exentas de posibles vulnerabilidades, como ataques de canal lateral, denegaciones de servicio o intervenciones en el canal cuántico, que pueden comprometer tanto la integridad como la disponibilidad del sistema. La infraestructura clásica de la arquitectura QKD también es vulnerable, como cualquier otra infraestructura clásica, por ello es tan importante securizarla. Estos nodos que son vulnerables a ataques físicos pueden explotarse con ataques clásicos de hacking. El objetivo de este trabajo es estudiar la seguridad de las redes QKD desde un enfoque integral que combine la evaluación de vulnerabilidades en los nodos físicos mediante herramientas de análisis de red y pentesting, con el desarrollo de un sistema capaz de detectar intrusiones en el canal cuántico y redirigir automáticamente el tráfico por una ruta segura. Para ello se ha diseñado un entorno simulado para comprobar la eficacia de las herramientas. Estas dos herramientas se implementarán dentro de un pipeline de detección y contramedidas donde se aprovecharán ambas soluciones conjuntamente para obtener una mejora significativa de la seguridad en la red. Los resultados obtenidos muestran que aplicar las técnicas tradicionales de la ciberseguridad sobre los nodos QKD permite reducir significativamente la superficie de ataque, y que es posible desarrollar un sistema capaz de asegurar disponibilidad en las redes QKD incluso en caso de ataques al sistema. Este enfoque híbrido demuestra la viabilidad de aplicar mecanismos de defensa clásicos y dinámicos en un entorno cuántico, y de esta manera, sienta las bases para futuras redes QKD más robustas, adaptativas y seguras. ABSTRACT In the future, when quantum computers, even if not available to the public, become a reality, attackers will be able to decrypt network information easily due to the ability of quantum computers to solve certain problems at unimaginable speeds. This could lead to major economic losses and massive data breaches affecting millions of companies and individuals. Quantum computers are capable of solving specific problems much more efficiently than classical systems, and this directly impacts security. Quantum Key Distribution (QKD) technology could be considered one of the most promising solutions to ensure secure communications in a post-quantum era. Other solutions such as PQC also exist, but this work will focus exclusively on QKD. However, real-world QKD implementations are not free from potential vulnerabilities, such as side-channel attacks, denial-of-service attacks, or interventions in the quantum channel, which can compromise both the integrity and availability of the system. The classical infrastructure of the QKD architecture is also vulnerable, just like any other classical infrastructure, which is why securing it is so important. These nodes, which are vulnerable to physical attacks, can be exploited using classical hacking techniques. The objective of this work is to study the security of QKD networks from a comprehensive approach that combines the evaluation of vulnerabilities in physical nodes using network analysis and pentesting tools, with the development of a system capable of detecting intrusions in the quantum channel and automatically redirecting traffic through a secure route. For this purpose, a simulated environment has been designed to test the effectiveness of these tools. Both tools will be implemented within a detection and countermeasure pipeline, where both solutions will be used together to achieve a significant improvement in network security. The results obtained show that applying traditional cybersecurity techniques to QKD nodes significantly reduces the attack surface, and that it is possible to develop a system capable of ensuring availability in QKD networks even in the event of attacks on the system. This hybrid approach demonstrates the feasibility of applying classical and dynamic defense mechanisms in a quantum environment, thereby laying the groundwork for future QKD networks that are more robust, adaptive, and secure.
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.
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.
La distribución cuántica de claves (QKD) se ha posicionado como la principal tecnología para solventar futuras vulnerabilidades asociadas a avances computacionales, particularmente en aquellos relacionados con computación cuántica. QKD se puede demostrar completamente segura (es una primitiva Information-Theoretic Secure - ITS) para solventar los problemas derivados a la distribución o intercambio de claves secretas. Esto significa que una correcta implementación de QKD es inmune a cualquier ataque, independientemente del poder computacional del atacante. Sintetizando, podemos considerar QKD como dos fuentes de claves simétricas localizadas en dos puntos remotos. Sin embargo, estas ventajas tienen un precio, debido a que QKD es una tecnología física que depende de la capacidad de producir, manipular y transmitir señales a nivel cuántico. Esto hace de QKD una tecnología compleja, que actualmente carece de suficiente flexibilidad. Diseños actuales hacen que QKD sea visto como cajas negras que requieren una red ad-hoc de uso exclusivo para evitar interferencias con otros canales clásicos, puesto que estos canales podrían afectar drásticamente a las correlaciones codificadas en las señales cuánticas, que son la base para la creación de las claves simétricas. Como resultado, las implementaciones actuales no pueden ser integradas fácilmente como elementos dentro de la infraestructura de los operadores. Como equipos, no son únicamente caros de por sí, si no que todos los requisitos asociados acarrean costes asociados al despliegue y la operación, penalizando su aceptación fuera de escenarios muy concretos. Paralelamente, las redes comunicación están sufriendo una evolución hacia nuevas soluciones basados en nuevos principios de virtualización y de arquitecturas software. Estas soluciones, llamadas software-defined networking (SDN) y network functions virtualization (NFV), facilitan una rápida integración de servicios y de tecnologías, a la par que permiten un mayor grado de flexibilidad para optimizar el uso de la red y el despliegue de servicios. No obstante, esta evolución trae consigo nuevas vulnerabilidades que pueden ser críticas a distintos niveles, ya que las redes de comunicación son la infraestructura base dentro de nuestra sociedad de la información. Desde nuestro punto de vista, esta evolución de red debe verse como una oportunidad de crear una simbiosis entre estas tecnologías y QKD. Por un lado, SDN y NFV pueden facilitar una integración real de QKD en redes de comunicaciones, ya que la red no será nunca más un conjunto de dispositivos actuando de manera independiente, si no que la gestión se centraliza, teniendo una visión homogénea de la red y de sus recursos. Esto permitirá integrar, gestionar y optimizar los recursos cuánticos (sistemas y claves) de manera global. Por otra parte, muchos de los problemas de seguridad asociados a las redes y a su evolución pueden ser mitigados o terminados gracias a QKD. De esta manera, los nuevos paradigmas de red no solo permitirán la integración de las tecnologías cuánticas dentro de las redes, mientras que se beneficiarán al mismo tiempo de sus capacidades incluyendo una capa adicional de seguridad a la red. Siguiendo estos principios, el propósito de la tesis es doble: inicialmente, analizar los requisitos para la integración de QKD en sistemas de gestión de red, principalmente en arquitecturas SDN, con el objetivos de facilitar su despliegue y gestión, permitiendo optimizar y capitalizar la red QKD y reducir el time-to-market; el segundo consiste en estudiar las vulnerabilidades dentro de distintos escenarios y capas de red, donde QKD puede servir como capa adicional para securizar la red contra amenazas actuales y otras por venir, creando una infraestructura de red quantumsafe. ----------ABSTRACT---------- Quantum Key Distribution (QKD) is one of the major cryptographic solutions to tackle the security threats associated to future computational advances, in particular those coming from quantum computing. QKD is an Information-Theoretic Secure (ITS) cryptographic primitive that solves the problem of secret key distribution: it is immune to any attack, independently of the computational power that the eavesdropper might have. At the most simple level, QKD can be seen as a source of symmetric secret keys in two separated places. This advantage comes at a price, since QKD is a physical layer technology that depends on the ability to produce, manipulate, transmit and detect signals at the quantum level. It is not an easy technology and current implementations of QKD lack flexibility. They are designed as black-boxes that require a separate ad-hoc network in order to transmit the quantum signals and avoid any interference from classical signals. Such interferences would kill the delicate correlations encoded in the quantum signals that make possible the creation of secret keys in two separate locations. The result is that current QKD systems cannot be used as a part of a telecommunications network. As devices, they are not only expensive by themselves, but also their requirements increase the deployment and operation costs, heavily penalizing its adoption beyond very specific scenarios. While this is happening, current network architectures are already evolving towards novel architectures based on the principles of softwarization and virtualization. These solutions, so called Software-Defined Networking (SDN) and Network Functions Virtualization (NFV) allows for a faster integration of new technologies and services within the network, while bringing flexibility to optimize the network utilization and service allocation. This added flexibility afforded by softwarization, brings also new vulnerabilities that might be extremely dangerous, since the telecommunications network is a critical infrastructure to our modern information society. From the point of view of QKD, these advances in networking are crucial and must be seen as an bidirectional opportunity. On the one hand, the new networking paradigms allow for a real integration of QKD in the telecommunication network. Under this view, the network is no more a set of disparate devices acting as black-boxes with a predominantly autonomous behavior. Now the decisions are taken by a centralized SDN entity that knows the requirements of devices and applications and can optimize the resources, also catering to the specific needs of quantum devices. On the other hand, the new security threats in this model can be effectively tackled by means of QKD. As such, the new network paradigms not only make possible the real integration of quantum devices in the telecommunications network, it also benefits from this integration by increasing its security level using QKD keys. Following these ideas, the aim of this thesis is twofold: the first is to analyze the requirements for the integration of QKD in current networks, more specifically in SDN architectures, with the objective to make easier their integration and deployment, to optimise and to capitalize the QKD network and reduce their timeto- market; the second, to study current and future network scenarios where QKD can provide an additional security layer to make the network safer against today’s threats and the future ones coming from technologies like quantum computing, i.e. creating a quantum-safe network.