Cifrado AES explicado: funcionamiento, rendimiento y seguridad

El Estándar de Cifrado Avanzado (AES) es actualmente el algoritmo de cifrado simétrico más popular y ampliamente adoptado. Fue desarrollado por dos criptógrafos belgas, Vincent Rijmen y Joan Daemen. Si se implementa correctamente, el algoritmo es inquebrantable en la actualidad.

¿Qué es el cifrado?

El cifrado es la forma más común de proteger datos sensibles. Funciona convirtiendo los datos en una forma en la que el significado original está enmascarado y solo usuarios autorizados pueden descifrarlo.

Esto se hace desordenando los datos con funciones matemáticas basadas en un número llamado clave. Para desordenar (descifrar) los datos, el proceso se invierte usando la misma o una clave diferente.

El proceso se llama simétrico si se usa la misma clave para tanto cifrado como descifrado. El proceso es asimétrico si se usan claves diferentes.

El Estándar de Cifrado Avanzado (AES) es actualmente el algoritmo de cifrado simétrico más popular y ampliamente adoptado. Fue establecido por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de EE. UU. en 2001.

En 2002, AES se volvió efectivo como estándar del gobierno federal. Hasta ahora, es el único cifrado públicamente accesible aprobado por la NSA (Agencia de Seguridad Nacional) para proyectos de máximo secreto.

¿Quién desarrolló AES y por qué?

A mediados de los 90, el gobierno de EE. UU. planeó un proyecto para analizar diferentes tipos de técnicas de cifrado. En realidad, buscaban un estándar que fuera seguro y eficiente de implementar.

NIST analizó cientos de algoritmos enviados por varios equipos de investigación y organizaciones. Finalmente, hicieron su selección a finales de 2001. Eligieron "Rijndael" como el nuevo algoritmo del Estándar de Cifrado Avanzado.

Fue enviado por dos criptógrafos belgas, Vincent Rijmen y Joan Daemen.

Rijndael fue probado rigurosamente en ANSI, Java y C para eficiencia y fiabilidad en el proceso de cifrado/descifrado. Se aseguraron de que el nuevo algoritmo es resistente a ataques mayores tanto en sistemas centrados en software como en hardware.

¿Por qué buscaban un nuevo método de cifrado?

En 1976, la Oficina Nacional de Estándares (NBS) de EE. UU. adoptó el Estándar de Cifrado de Datos (DES) para cifrar datos gubernamentales sensibles. Era un algoritmo de clave simétrica construido por IBM.

El algoritmo sirvió bien su propósito por 20 años, pero con la llegada de procesadores más potentes, surgieron algunas preocupaciones de seguridad.

De hecho, algunos investigadores pudieron desarrollar técnicas que podían descifrar DES en 48 horas, usando el método de fuerza bruta. Aunque tales ataques eran muy caros y extremadamente difíciles de montar, fueron suficientes para probar que DES pronto se volvería poco fiable.

Como resultado, NIST anunció la necesidad de un algoritmo sucesor para DES y comenzó el desarrollo de AES en 1997, con la intención de que estuviera disponible sin regalías en todo el mundo.

¿Cómo funciona el cifrado AES?

A diferencia de DES (que usa una clave relativamente corta de 56 bits), AES usa tamaños de clave de 128, 192 o 256 bits para cifrar/descifrar datos.

AES es un cifrado iterativo basado en una red de sustitución-permutación. Implica una serie de operaciones vinculadas, como reemplazar entrada con ciertas salidas (sustitución) o mezclar bits (permutación).

Lo primero que hace el algoritmo es dividir el texto plano (datos de entrada) en bloques de 128 bits. Como todos los cálculos se realizan en bytes (128 bits = 16 bytes), convierte cada bloque en una matriz 4x4 para procesamiento posterior.

Hay cinco pasos principales en el algoritmo AES:

1. Añadir Clave de Ronda: La clave inicial (derivada de un proceso estructurado cuando se aplica el cifrado) se añade al bloque de texto plano. Esto se hace aplicando un algoritmo de cifrado aditivo llamado Exclusive Or (XOR).
2. Sustituir Bytes: Los bytes de entrada se sustituyen buscando una tabla predeterminada.
3. Desplazar Filas: La 2ª fila de la matriz se desplaza una posición (byte) a la izquierda, la 3ª fila dos posiciones a la izquierda, y la 4ª fila tres posiciones a la izquierda. La matriz resultante contiene los mismos 16 bytes pero desplazados entre sí.
4. Mezclar Columnas: El algoritmo usa una función matemática especial para transformar cada columna de la matriz. La función reemplaza las columnas originales con bytes completamente nuevos.
5. Añadir Clave de Ronda: La matriz ahora se considera como 128 bits y se hace XOR con la clave de ronda de 128 bits.

Si pensabas que eso era todo, no podrías estar más equivocado. Los datos vuelven al paso 2, 3, 4 y 5. En otras palabras, los pasos 2 a 5 se ejecutan en bucle.

¿Pero cuántas veces se ejecuta el bucle? Esto depende del tamaño de la clave de cifrado AES: Cuando se usa clave de 128 bits, el bucle se ejecuta 9 veces; con clave de 192 bits, 11 veces; y con clave de 256 bits, 13 veces.

Cada ronda añadida hace el algoritmo más fuerte. Al final del bucle, se realiza una ronda adicional, que involucra sustitución de bytes, desplazamiento de filas y adición de clave de ronda.

El paso de mezcla de columnas se excluye porque, en este punto, no cambiaría los datos y consumiría innecesariamente recursos computacionales, haciendo el cifrado menos eficiente.

Pasos involucrados en cifrado y descifrado AES

Descifrado de datos

El proceso de descifrado es relativamente simple. Todas las operaciones se realizan en orden inverso. El proceso comienza con la inversa de añadir clave de ronda, inversa de desplazamiento de filas, y inversa de sustitución de bytes.

Y luego para cada ronda, cuatro procesos se llevan a cabo en orden inverso:

• Clave de ronda inversa
• Mezcla de columnas inversa
• Desplazamiento de filas inverso
• Sustitución de bytes inversa

Finalmente, se realiza la inversa de añadir clave de ronda (paso 1 de cifrado). Tras completar este proceso, obtienes tu mensaje original.

Rendimiento

Dado que AES es significativamente más rápido y exponencialmente más fuerte que su predecesor DES, es ideal para diversas aplicaciones, hardware y firmware que requieren alto rendimiento o baja latencia.

El algoritmo puede funcionar excepcionalmente bien en una amplia gama de hardware, desde computadoras de alto rendimiento hasta tarjetas inteligentes de 8 bits.

La mayoría de fabricantes de CPU, incluyendo AMD e Intel, integran el conjunto de instrucciones AES en sus procesadores. Esto mejora el rendimiento de AES en muchos dispositivos y mejora su resistencia a ataques de canal lateral.

En CPUs AMD Ryzen e Intel Core i7/i5/i3, el cifrado AES puede rendir un throughput de más de 10 GB/s. En procesadores antiguos, como Pentium M, el throughput es aproximadamente 60 Mbit/s.

¿Qué tan seguro es el algoritmo AES?

Los criptógrafos han estado analizando AES en busca de debilidades desde que el estándar se finalizó en 2000. Hasta ahora, han publicado ataques teóricos y de canal lateral contra AES-128.

En 2009, un grupo de investigadores atacó una versión de 8 rondas de clave de AES-128. Fue un ataque de clave conocida para descubrir la estructura interna del cifrado. Pero como fue solo contra una versión de 8 rondas de AES-128, en lugar de la versión estándar de 10 rondas, se considera una amenaza relativamente menor.

También hubo una serie de ataques de clave relacionada el mismo año, donde los investigadores intentaron descifrar un cifrado analizando cómo funciona bajo diferentes claves. Sin embargo, estos ataques resultaron ser una amenaza solo para protocolos que no estaban correctamente implementados.

Riesgo mayor: Ataques de canal lateral

Los ataques de canal lateral se basan en datos obtenidos de la implementación de un sistema, en lugar de la debilidad en el algoritmo implementado en sí. Por ejemplo, consumo de energía, información de temporización, o incluso fugas electromagnéticas pueden proporcionar una fuente adicional de datos, que puede ser explotada.

En un caso, investigadores dedujeron exitosamente claves AES-128 monitoreando cuidadosamente el estado de la caché de memoria del procesador. Sin embargo, tales casos pueden reducirse previniendo posibles formas de fuga de datos o asegurando que la información filtrada no esté asociada con procesos algorítmicos.

A pesar de potenciales ataques de canal lateral y ataques teóricos actuales, todas las versiones de AES permanecen altamente seguras. El algoritmo AES correctamente implementado es inquebrantable en la actualidad.

De hecho, la computadora más potente del mundo tardaría más de 800 billones de años en forzar bruta una clave AES de 128 bits. El número de cálculos requeridos para forzar bruta un cifrado de 256 bits es 3,31 x 10⁵⁶, aproximadamente igual al número de átomos en el universo.

Aplicaciones

AES está incluido en programas que usamos todo el tiempo. Por ejemplo, WinZip, RAR y UltraISO usan el Algoritmo Rijndael para cifrar tus datos.

BitLocker, CipherShed, DiskCryptor, VeraCrypt y FileVault crean imágenes de unidad cifradas con AES. IEEE 802.11i, un estándar IEEE que especifica mecanismos de seguridad para redes inalámbricas, usa AES-128 en modo CCM.

Algunas de las apps de mensajería más populares como Facebook Messenger, Signal, WhatsApp y Google Allo usan AES para cifrar mensajes entre remitentes y receptores.