La maquina enigma y el cifrado por bloques

Maquina Enigma.

La máquina Enigma fue inventada por un ingeniero alemán, Arthur Scherbius, Su idea consistía en aplicar el Cifrado de Vigenère, es decir se aplicaba un algoritmo de sustitución de unas letras por otras.

Al no contar con recursos para fabricarla, se asoció con Willie Korn quien tenía una compañía llamada Enigma Chiffiermaschinen AG en Berlín. Mejoraron el diseño y en 1923 la presentaron en la Exhibición Postal Internacional de Berlín para el cifrado de secretos comerciales.

La máquina enigma era electromecánica, es decir que una parte de su funcionamiento era mecánica, mientras que la otra era eléctrica, consistía en una serie de teclas con las letras del alfabeto, similar a una máquina de escribir, que en realidad eran interruptores que accionaban los dispositivos eléctricos y hacían mover unos cilindros rotatorios. Desde el punto de vista del operador, la forma en que funcionaba era bastante simple, tenía que teclear las letras de su mensaje y anotar las letras que devolvía la máquina (a través de un alfabeto que se iba iluminando).

El código a usar se fijaba con las posiciones de los cilindros que constaban, cada uno, de 26 cables que se conectaban al teclado pero, con la particularidad, que el primer cilindro giraba un veintiseisavo de vuelta después de cada pulsación, de tal manera que la posición de las conexiones iba cambiando con cada entrada del teclado, obteniendo un cifrado polialfabético.

Sumado a esto, el segundo cilindro sólo daba un giro cuando el primero había completado 26 giros y el tercero cuando el segundo había dado sus 26 y añadió la posibilidad de que los rodillos pudiesen ser intercambiados de posición, de manera que el número de posibilidades aumentase hasta tener 105,456 alfabetos.

Además, el sistema contaba con 6 cables de conexión que también permitían introducir modificaciones dado que podrían conectarse a 26 lugares (representando a las 16 letras del alfabeto de Enigma) lo que producía 100.391.791.500 maneras distintas de conectar los cables que unidos a los 105.456 alfabetos daba un total de:

3,283,883,513,796,974,198,700,882,069,882,752,878,379,955,261,095,623,
685,444,055,315,226,006,433,616,627,409,666,933,182,371,154,802,769,920,000,000,000 posibilidades distintas de codificación.

En 1933 Alemania nacionalizó a la compañía creadora de ésta máquina, y posteriormente procedió a armar a todo su ejército con ella, además de agregarle un cuarto cilindro para complicar aún más el intento de descifrar los mensajes.

Desde que obtuvieron esta máquina, el ejército nazi obtuvo una gran ventaja debido a que sus códigos eran prácticamente indescifrables y así tomaban la ventaja en el campo de batalla al poder envíarse mensajes sin el temor de que los aliados los interceptáran y los descifraran.

Sin embargo y a pesar de todos los mecanismos que utilizaba la máquina enigma, eventualmente fue vencida debido a los principales factores:

• Al haber sido en un inicio un producto comercial que fue presentado al público dentro de lo que cabe, la información de cómo operaba de manera esencial era conocida.
• La codificación de un mensaje obligaba al operador a introducir 3 letras dos veces cuando se iniciaba el mensaje, en un estilo de bandera, el ejército nazi no modificaba esa secuencia, por lo que se convirtió en una constante que aprovecharon los aliados para descifrar los códigos.
• Los aliados lograron capturar un submarino Alemán, con lo cual lograron obtener una máquina enigma y el libro de claves, pero hicieron la captura para el público como que el submarino se terminó hundiendo para así evitar que cambiaran las claves.

Debido a todos esos factores es que fue posible para los aliados derrotar a la máquina enigma y descifrar los mensajes de los alemanes, éstos intentaron recuperar la ventaja con su sucesora, la M4, pero los aliados crearon un computador llamado "Colossus" que fue diseñado para descifrar sus mensajes.

Al final de día, la máquina enigma terminó teniendo una mayor repercusión de lo que se podría pensar, dado que más allá de su uso militar, fue la causante de la creación de las primeras computadoras, que ya en el futuro se convertirían el todo lo que conocemos hoy en día.

Cifrado por bloques.

Una unidad de cifrado por bloques es una unidad de cifrado de clave simétrica que opera en grupos de bits de longitud fija (bloques), aplicándoles una transformación invariante.

Cuando se hace el cifrado, se toma como entrada un bloque de texto plano (o claro) y produce un bloque cifrado de igual tamaño. La transformación exacta es controlada utilizando una segunda entrada, ésta es la clave secreta dada por el usuario. Para realizar el proceso inverso (descifrado), se ingresa un bloque de texto cifrado y se produce el texto plano original.

El cifrado por bloques es diferente al cifrado por flujo (stream ciphers) debido a que, en este último, se opera en dígitos individuales, uno tras otro, y la transformación varía durante el proceso de cifrado.

 

Un ejemplo de cifrado por bloques conocido, es el llamado DES (Data Encryption Standard), que fue un diseño de unidad de cifrado por bloques de gran influencia. Fue desarrollado y publicado por IBM y se volvió un estándar en 1977, éste tuvo un sucesor, el Advanced Encryption Standard (AES), que fue adoptado en 2001.

Funcionamiento del cifrado por bloques.

Se emplean bloques de tamaño fijo del texto en claro y se crea un bloque de tamaño fijo de texto cifrado, por lo general de igual tamaño que la entrada. Dicho tamaño de bloque debe ser grande, para evitar ataques de texto cifrado, mientras que la asignación de bloques de entrada a bloques de salida debe ser uno a uno, para que el proceso reversible y parezca aleatorio. 

Para la asignación de bloques, los algoritmos de cifrado simétrico realizan sustituciones y permutaciones en el texto en claro hasta obtener el texto cifrado. La sustitución es el reemplazo de un valor de entrada por otro de los posibles valores de salida. La permutación es un tipo especial de sustitución en el que los bits de un bloque de entrada son reordenados para producir el bloque cifrado, esto es para preservar las estadísticas del bloque de entrada (el número de unos y ceros). 

Finalmente, los algoritmos de cifrado por bloques iterativos funcionan aplicando una transformación (función de rotación) sucesivas veces a un bloque de texto en claro. La cantidad de "rotaciones" depende del nivel de seguridad buscado. Se aplica una misma función a los datos usando una subclave obtenida de la clave secreta original dada por el usuario. 

Para implementar un algoritmo por bloques, se necesita romper el texto de entrada en bloques de longitud fija. Esto puede hacerse de cuatro formas: 

• ECB (Electronic Code Book).
• CBC (Cipher Block Chaining). 
• OFB (Output Feedback Mode). 
• CFB (Cipher Feedback Mode) 

CBC (Cipher Block Chaining) 

En el Cipher Block Chaining, a cada bloque de texto plano se le aplica la operación XOR con el bloque cifrado anterior antes de ser cifrado. De esta forma, cada bloque de texto cifrado depende de todo el texto en claro procesado hasta este punto. Para hacer cada mensaje único se utiliza asimismo un vector de inicialización. Es útil para transmisiones orientadas a bloques. Sin embargo, debido a este tipo de funcionamiento, no es posible realizar operaciones de cifrado en paralelo sobre varios bloques por esta dependencia de cada bloque con la operación del anterior.

CFR (Cipher Feedback).

Para comprender la forma en que funciona el CFR, es necesario primero conocer el funcionamiento del OFB (Output Feedback Mode) y a su vez, para éste es necesario el CTR (Counter Mode).

CTR simula un cifrado de flujo. Es decir, se usa un cifrado de bloque para producir un flujo pseudo aleatorio conocido como keystream. Este flujo se combina con el texto plano mediante XOR dando lugar al cifrado.

Para generar el keystream se cifra un contador combinado con un número aleatorio ("nonce") mediante ECB (Electronic Code Book Mode) y se va incrementando. El valor del contador puede ser públicamente conocido, y es necesario que el valor de nonce + contador lo conozcan ambos lados de la comunicación.

Una de las ventajas que ofrece es la posibilidad de precalcular el keystream (y/o trabajar en paralelo).

Como desventajas hay que tener en cuenta que reutilizar un contador en la misma clave puede ser desastroso, pues se generará de nuevo el mismo keystream. Modificar bits en el texto plano es muy sencillo, porque al modificar un bit del cifrado se modificará el bit del texto plano correspondiente (Bit-flipping attacks). Debido a esto es aconsejable usar el modo de cifrado junto con una verificación de la integridad del mensaje.

Ahora, la forma en la que funciona el OFB es muy similar al CTR, nada más que el keystream se genera cifrando el bloque anterior del keystream, dando lugar al siguiente bloque. El primer bloque de keystream se crea cifrando un vector de inicialización IV.

Conociendo esto, ya puede entenderse que el CFB funciona de manera similar a los dos anteriores, únicamente que para producir el keystream se cifra el último bloque de cifrado, en lugar del último bloque del keystream como hace OFB, pero por todo lo demás comparte las vulnerabilidades de éste, y por lo tanto del CTR.


Método de distribución de claves.

La distribución de claves es una de las partes más delicadas con las que se debe de lidiar al momento de trabajar con este tipo de sistemas, dado que si se lleva a cabo de una manera inadecuada, todo el trabajo que se hizo en el cifrado, valdría para absolutamente nada, debido a que se conocerían las llaves para obtener toda la información de lo que se quiere proteger.

El
 protocolo
 
IEEE802.10 muestra
 tres
 tipos 
de
 técnicas 
de 
distribución
 de 
claves, 
las
 cuales
 son:
 distribución
 
 manual
 de
 claves,
 distribución
 centralizada
 de
 claves
 y
 distribución
 certificada
 de 
claves.
Distribución manual de claves.

Las
 técnicas
 de
 distribución
 manual
 de
 claves
 utilizan
 procedimientos
 de
 entrega
 fuera
 de
 línea
 para
 establecer 
contraseñas 
compartidas
 en
 parejas
 o
 en 
grupos,
 esto
 es,
 se
 apoyan
 en 
métodos
 tradicionales 
(seguridad
 física
 y
 de 
confianza,
 correos 
seguros).

Distribución centralizada de claves.

Este
 tipo
 de
 distribución
 se
 hace
 necesaria 
cuando
 se
 requiere
 que
 ésta
 se
 lleve
 a
cabo
 sobre
 la
 misma
 red
 de
 comunicación
 donde
 se
 está
 transmitiendo
 la
 información
 que
 se
 va
 a
 proteger,
 cuando
 se
 necesita
 establecer
 contraseñas
 seguras
 entre
 parejas
 o
 en
 multidifusión
 entre
 entidades
 en
 comunicación
 y
 que
 se
 realice
 de
 manera
 automática,
 entonces
 la
 entrega 
se
 hace
 mediante
 una
 tercera
 entidad
 de
 confianza
 la
 cual
 puede
 ser
 un
 centro
 de
 distribución
 y
 trabajar
 conjuntamente
 con
 un
 centro
 traductor
 de
 claves.

Distribución certificada de claves.

Se 
emplea
 principalmente para
 realizar
 comunicaciones
 seguras 
entre
 parejas
 de
 interlocutores.
 En
 este
 contexto
 se
 identifican
 principalmente
 dos
 clases
 de
 técnicas
 de
 distribución:
 las
 cuales
 se
 conocen
 normalmente 
como
 transferencia
 de
 claves
 y
 acuerdo
 o
 intercambio
 de 
claves.

• Transferencia de Claves: La 
entrega
 o
 distribución 
se
 realiza
 a
 través
 de
 un
 criptosistema
 público
 a
través 
del
 cual
 se
 cifra 
una 
clave 
generada 
localmente
 en
 la 
entidad
 u 
organismo
 encargado
 de
 esta
 tarea
 así,
 la 
clave
 viajará
 protegida 
hasta
 la 
entidad 
remota
 de
 gestión
 de
 claves
 para
 su 
uso.
• Acuerdo o Intercambio de Claves: 
La
 clave
 a 
utilizar 
para
 la
 comunicación
 se 
genera
 con
 la
 participación
 de 
las
 entidades
 involucradas, 
esto
 es,
 la
 entidad 
que 
requiere 
dicha 
clave
 y
 la
 encargada
 de
 la 
generación 
de 
claves
 (la
 entidad 
local
 y
 la
 entidad 
remota).

http://hipertextual.com/2011/07/la-maquina-enigma-el-sistema-de-cifrado-que-puso-en-jaque-a-europa

http://www.alegsa.com.ar/Dic/cifrado%20por%20bloques.php

http://enciclopediateleco.blogspot.mx/2014/12/modos-de-operacion-ecb-cbc-cfb-ofb-y.html

http://dlerch.blogspot.mx/2007/07/modos-de-cifrado-ecb-cbc-ctr-ofb-y-cfb.html

http://www.openboxer.260mb.com/asignaturas/criptografia/distribucionDeClaves.pdf?ckattempt=1

Pruebas de Caja Negra

La prueba de caja negra lo que permite obtener es un conjunto de condiciones de entrada para así poder probar los funcionamientos de un sistema. A diferencia de la caja blanca que se enfoca en analizar cada uno de los caminos que puede recorrer el programa y ver qué hace en cada uno de ellos, en la caja negra, como bien dice su nombre, no se va a poder observar qué es lo que ocurre dentro de la caja (programa), sólo se va a poder observar qué es lo que entra y qué es lo que sale. Es debido a esto que este tipo de pruebas tienen ese nombre, y podría considerarse que son complementarias entre si, normalmente llevando a cabo primero la de caja blanca y después la de caja negra.

La utilidad de las pruebas de caja negra es bastante notoria, y dentro de las utilidades que ofrece, se encuentra el encontrar:

• Funciones incorrectas o ausentes.
• Errores de interfaz.
• Errores en estructuras de datos o en accesos a las Bases de Datos externas.
• Errores de rendimiento.
• Errores de inicialización y terminación.

Dentro de las pruebas de caja negra, existen principalmente 4 técnicas para llevarlas a cabo:

• Método Gráfico.
• Partición Equivalente.
• Análisis de Valores Límite.
• Tabla Ortogonal

Método Gráfico.

El método gráfico de caja negra, como bien dice su nombre se basa en tomar el programa en cuestión y hacer una representación gráfica del mismo, con la diferencia respecto a la caja blanca, de que aquí el enfoque va a ser principalmente a los objetos que conforman el programa y lógicamente, las entradas y las salidas.

Existen 5 tipos de modelados que se pueden utilizar en esta técnica, los cuales son:

• Modelado del flujo de transacción: Los nodos representan los pasos de alguna transacción, y los enlaces representan las conexiones lógicas entre los pasos.
• Modelado de estado finito: Los nodos representan diferentes estados del software observables por el usuario, y los enlaces representan las transiciones que ocurren para moverse de estado a estado.
• Modelado de flujo de datos: Los nodos son objetos de datos y los enlaces son las transformaciones que ocurren para convertir un objeto de datos en otro.
• Modelado de Planificación: Los nodos son objetos de programa y los enlaces son las conexiones secuenciales entre esos objetos. Los pesos de enlace se usan para especificar los tiempos de ejecución requeridos al ejecutarse el programa.
• Gráfica Causa-efecto: La gráfica Causa-efecto representa una ayuda gráfica en seleccionar, de una manera sistemática, un gran conjunto de casos de prueba. Tiene un efecto secundario beneficioso en precisar estados incompletos y ambigüedades en la especificación. Un gráfico de causa- efecto es un lenguaje formal al cual se traduce una especificación.

Con estos 5 tipos de modelados, es posible utilizar la técnica del método gráfico de una manera versátil y así permitir que se adapte a nuestras necesidades.

Partición Equivalente.

Lo que se hace en esta técnica, es dividir los datos de entrada en clases de equivalencia, esto quiere decir que dependiendo del tipo de dato que teóricamente acepta el programa, se creen clases de equivalencia de datos que sean válidos para lo que está esperando el programa e inválidos para el mismo:

1. Si una condición de entrada específica un rango de datos, existen 3 clases de equivalencia; dentro del rango (válido), debajo del rango (inválido) y por encima del rango (inválido).
2. Si la condición de entrada especifica un valor, existen 3 clases de equivalencia; el valor (válido), debajo del valor (inválido) y por encima del valor (inválido).
3. Si la condición de entrada especifica a un miembro de un conjunto, existen 2 clases de equivalencia; dentro del conjunto (válido) y fuera del conjunto (inválido).
4. Si la condición es booleana, existen 2 clases de equivalencia, verdadero y falso.

Análisis de Valores Límite.

Como dice su nombre, esta técnica maneja los valores límite que puede aceptar el programa, de cierta forma es algo similar a la partición equivalente, nada más que en este caso los datos de entrada con los que se trabajan se encuentran al borde de lo que puede aceptar el programa antes de provocar un error en su funcionamiento (aunque también puede utilizar los que están fuera de lo que puede aceptar, pero se acercan a ello), por ejemplo si un programa aceptara valores desde 1 hasta 10, el análisis de valores límite crearía los casos de prueba en base a los valores límite, es decir, tomando como datos 1 y 10, además de posiblemente, un 0.99 y un 10.1111, dado que así probaría los valores límite de la clase de equivalencia inválida para el programa.

Una característica que no debe olvidarse es que como se observó, en esencia se puede decir que el análisis de valores límite lo que hace es probar los extremos de cada clase de equivalencia que se podrían obtener para el programa.

Tabla Ortogonal.

Existen programas en donde el número de parámetros de entrada es pequeño y los valores de cada uno de los parámetros está claramente delimitado (es decir, no sé tiene que lidiar con un gran rango de posibilidades de datos de entrada). Cuando estas posibilidades son muy pocas, la prueba de tabla ortogonal permite proporcionar una buena cobertura de pruebas con bastantes menos casos de prueba que en la estrategia exhaustiva, esto debido más que otra cosa a que resultaría innecesario llevar a cabo una precisamente porque las posibilidades de entrada y salida del programa son muy pocas.

Fuentes:

http://www.innosupport.net/index.php?id=2084&L=6

http://www.innosupport.net/index.php?id=2080&L=6

http://www.ecured.cu/index.php/Pruebas_de_caja_negra

http://avanzada.idict.cu/index.php/avanzada/article/view/357

Prueba aplicada a un pseudocódigo

El siguiente es el pseudocódigo al cual se le aplicará la prueba, en particular la prueba de caja blanca:

Como puede verse, este pseudocódigo describe un proceso que acepta variables, les aplica procesos y al final devuelve otras.

Ahora, como se van a indicar con número cada proceso que lleva a cabo el código, el pseudocódigo marcado quedaría así:

Lo primero que debe de hacerse para aplicar la prueba es tomar este pseudocódigo y representar el proceso que describe de manera gráfica, en un principio a manera de diagrama de flujo y con cada uno de sus componentes con su numero de proceso (Se debe tener en cuenta que la union de los if, cuanta como el final del if, por lo tanto de un proceso.):

Con esto ya puede verse de manera gráfica cómo funciona el programa, ahora el siguiente paso es pasar el diagrama de flujo a un grafo utilizando nodos para representar cada proceso del programa:

Ya con este grafo, lo que se debe de hacer para aplicar la prueba de caja blanca, es analizar el grafo para determinar el número de caminos que existen en el proceso, con el objetivo de saber cuántos caminos tiene en total (complejidad ciclomática) y así determinar qué datos deben de ingresarse para recorrer cada camino y así probar la funcionalidad de los mismos.

1. 1, 4, 10, 11, 13
2. 1, 4, 10, 12, 13
3. 1, 4, 5, 8, 9, 2, 4, 10, 11, 13
4. 1, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 2, 3, 4, 10, 11, 13
5. 1, 4, 5, 8, 9, 2, 4, 10, 12, 13
6. 1, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 2, 3, 4, 10, 12, 13

Como se puede observar, existen 6 caminos que el programa puede recorrer durante su ejecución y llegar hasta el final, sin embargo algo que debe de tenerse en cuenta, es que es posible encontrar más caminos, pero éstos van a volverse redundantes en el sentido de que una secuencia del camino se va a repetir, y por lo tanto ya no sería válido.

Ahora una vez que tenemos los caminos, lo que se debe hacer es determinar los datos que deben de ingresarse para que el programa recorra todos los caminos.

Al analizar el programa, puede verse que acepta cuatro datos: valor, minimo, maximo y suma, sin embargo se puede observar que después se declara la variable de valor como un arreglo y se le dice que sus valores van a ser de 1 a 100, mientras que con suma, en una línea se iguala a 0, por lo tanto no tiene importancia qué valores se ingresen en estos campos, los únicos que sí importan es mínimo y máximo, sin embargo con estos dos campos sólo pueden recorrerse dos caminos:

• mínimo: 2, maximo: 5
• minimo: 0, maximo: 99

Como el resto de los caminos dependen de las condiciones de total.entrada y el valor de la variable valor en la posición i, para poder recorrerlos va a ser necesario forzar ciertas variables o condiciones, en este caso sería:

• total.entrada = 99
• total.entrada = 101
• i = -999
• i = -1000

Forzando esas condiciones, ya es posible recorrer el resto de caminos porque ya se pueden manipular las condicionales, y con esto se recorren todos los caminos y se verifica que cada uno de ellos funcione, es decir así ya se aplicó la prueba de caja blanca.