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.
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 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.
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.
La aparición de la computación cuántica plantea una amenaza directa sobre los sistemas criptográficos actualmente desplegados, poniendo en riesgo la confidencialidad y autenticidad de la información. En tal contexto, la criptografía postcuántica surge como una alternativa diseñada para resistir ataques basados en ordenadores cuánticos, empleando como base problemas matemáticos considerados intratables incluso para este escenario. El objetivo de este trabajo es evaluar la viabilidad práctica de los algoritmos criptográficos de tipo postcuántico propuestos por el proceso de estandarización del NIST, comparándolos con algoritmos clásicos muy conocidos. Con tal fin, se ha llevado a cabo un análisis teórico del estado del arte y un estudio experimental basado en microbenchmarks criptográficos y pruebas sobre el protocolo TLS 1.3, usando implementaciones reales y plataformas hardware heterogéneas. La metodología empleada permite estudiar métricas relevantes como tiempos de ejecución, latencias o escalabilidad, tanto en operaciones atómicas como en escenarios de comunicación más amplios. Los resultados muestran que los algoritmos basados en retículos, como ML-KEM y ML-DSA, ofrecen un rendimiento competitivo frente a algoritmos clásicos con nivel de seguridad equivalente, de manera especial en hardware moderno. No obstante se observa un impacto significativo en dispositivos con recursos limitados y en el proceso de handshake TLS. Se concluye que este trabajo demuestra que la criptografía postcuántica es técnicamente viable en numerosos entornos reales, aunque su adopción debe abordarse de forma progresiva y contextualizada, considerando las limitaciones físicas y requisitos de cada sistema.
Los sistemas de Internet of Things han crecido mucho en los últimos años, siendo una de las tecnologías más prometedoras en lo que al avance de la Industria 4.0 se refiere. Sin embargo, desde sus comienzos han presentado múltiples vulnerabilidades en su seguridad, facilitando la aparición de ciberataques cuya finalidad iba desde el robo de datos hasta la manipulación del propio comportamiento de la red. La gran variedad de soluciones propuestas ha permitido obtener una protección de las capas inferiores de la infraestructura de Internet of Things en el corto y medio plazo, pero los recientes avances en la construcción de los ordenadores cuánticos han vuelto a poner el foco sobre los problemas de seguridad asociados. Concretamente, ciertos algoritmos cuánticos ponen en jaque los fundamentos matemáticos de los esquemas de criptografía asimétrica más extendidos por el mundo, lo que ha llevado al desarrollo de nuevas alternativas que cubran las necesidades de seguridad futuras. Es fundamental que estas nuevas propuestas se estudien dentro del ámbito de Internet of Things, con el fin de que no vuelvan a surgir los agujeros de seguridad iniciales. Este trabajo comienza realizando una introducción sobre los motivos por los que los nodos de Internet of Things carecen de seguridad, así como una breve explicación sobre el creciente interés en el desarrollo de la computación cuántica y por qué se considera una amenaza potencial para la ciberseguridad. Se mencionan también las distintas soluciones posibles según la tecnología accesible, dividiéndose en tres grandes categorías: criptografía cuántica, semi-cuántica y post-cuántica. La última de ellas, centrada en algoritmos que pueden ser ejecutados por ordenadores clásicos, será la candidata ideal para implementarse en los nodos de las redes inalámbricas de sensores. Posteriormente, se detallan los algoritmos cuánticos que comprometen los estándares de seguridad actuales, siendo los principales el algoritmo de Grover en el caso de la criptografía simétrica, y el algoritmo de Shor en el caso asimétrico. Las conclusiones sobre el impacto de estos algoritmos sobre los distintos estándares, permitirán posteriormente tomar decisiones en las propuestas de seguridad al final del trabajo. Una vez desarrollada la problemática, se estudian las distintas familias de criptosistemas post-cuánticos que se están proponiendo como solución, a la vez que se exponen los diferentes problemas matemáticos sobre los que se construyen. Una búsqueda en detalle sobre las implementaciones previas llevadas a cabo en sistemas embebidos, así como los resultados de las distintas fases en el proceso de estandarización del National Institute of Standards and Technology, permitirán profundizar sobre la viabilidad de aplicar algunos de estos criptosistemas a Internet of Things, y enfocar los siguientes pasos en alguno de los mejores candidatos. Tras la elección del criptosistema NTRU, se procede a describir su funcionamiento dividiéndolo en las tres partes más importantes: generación de las claves pública y privada, cifrado y descifrado. Todos los algoritmos descritos serán implementados mediante el diseño de una biblioteca de código, el cual en su mayor parte se ha escrito en lenguaje C estándar para facilitar la portabilidad entre sistemas. El funcionamiento del mismo será verificado tras ejecutar el criptosistema sobre los nodos Cookie, una plataforma para el desarrollo de redes de Internet of Things diseñada en el propio Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid. Esta verificación vendrá acompañada de pruebas experimentales sobre los tiempos de ejecución de los distintos algoritmos involucrados, así como de la caracterización estadística de los resultados obtenidos, estimando el impacto del criptosistema sobre un proceso de comunicación genérico entre dos nodos. Finalmente, se propondrá la mejora del rendimiento de la red bajo la premisa de que la versión de AES con longitud de clave de 256 bits presenta un buen nivel de seguridad post-cuántica, fundamentada principalmente en los estudios sobre los ataques cuánticos previamente citados. La combinación de NTRU y AES con un mecanismo de encapsulación de clave, permitirán mejorar la dinámica de las comunicaciones, reduciendo el tiempo de ejecución de los algoritmos de cifrado en el intercambio de mensajes. Los resultados obtenidos en el cierre del trabajo permitirán definir las pautas a seguir en futuras líneas de investigación, abriendo la posibilidad de que se estudien las diferentes ventajas y desventajas que pueden surgir de implementar en hardware distintas partes del criptosistema empleado, y determinando qué otras alternativas post-cuánticas podrían dar mejores resultados en el paso de un esquema de criptografía simétrica a un cifrado simétrico.
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.