Implementación de Algoritmos Criptográficos y de Digestión de Mensajes
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Este reporte detalla la investigación e implementación de algoritmos criptográficos AES-128, RSA y SHA-256 en un sistema de firma digital de calificaciones para estudiantes, permitiendo la verificación desde dispositivos Android. El prototipo ha sido rediseñado y se ha cambiado el gestor de bases de datos a PostgreSQL, aunque algunas funcionalidades originales se han perdido. Las pruebas realizadas en Android indicaron un rendimiento adecuado de los algoritmos implementados, a pesar de algunos desafíos en la implementación.
Implementación de Algoritmos Criptográficos y de Digestión de Mensajes
- 1. Resumen— El presente reporte cubre la investigación e implementación de dos algoritmos criptográficos y uno de digestión de mensajes para ser utilizados en un prototipo de Sistema de cómputo que permite realizar la firma digital de calificaciones de estudiantes por parte del docente encargado de una asignatura y la posterior verificación de la calificación por parte de los estudiantes de dicha asignatura desde sus dispositivos móviles Android, con el propósito de profundizar en el conocimiento y requerimientos de dichos algoritmos. Este documento asume conocimiento del prototipo original del sistema. Palabras Clave— Android, Infraestructura de llave pública, Java, RSA, Seguridad. I. INTRODUCCION El presente proyecto fue desarrollado con el propósito de profundizar en el conocimiento de los algoritmos de cifrado y digestión de mensajes utilizados en la versión 1 del proyecto. Originalmente el prototipo se creó utilizando la librería Bouncy Castle como proveedor de servicios criptográficos para el prototipo, en esta versión, se codificaron los algoritmos a partir de las especificaciones FIPS correspondientes y en el caso de RSA a partir del pseudocódigo del algoritmo y de los diferentes algoritmos necesarios para calcular los pasos del algoritmo RSA. La arquitectura del proyecto cambia con respecto al prototipo original debido a que se suprime la funcionalidad de OpenSSL. Para el funcionamiento del prototipo se tienen 3 módulos: Una aplicación Java Swing para la generación de la llave privada del docente y almacenamiento de la llave pública en una ubicación accesible. De momento se deja de lado la noción de certificación de la llave pública. Una aplicación móvil Android (compatible con API 14 o superior) que permite la consulta y verificación de la firma digital de las notas por parte de los estudiantes. Un conjunto de APIs Web que permiten el acceso tanto de la aplicación swing y Android a los datos. II. OBJETIVO DEL PROYECTO Implementar el algoritmo AES-128, RSA y SHA256 para utilizarlos en el prototipo de sistema de firma digital de calificaciones. III. ALCANCES Y LIMITACIONES A. Alcances: Se mantendrá la funcionalidad de firma digital del prototipo solamente sustituyendo los servicios criptográficos de Java anteriormente utilizados. . B. Limitaciones: El formato de almacenamiento de las llaves RSA no será implementando el estándar PKCS1. IV. ARQUITECTURA Y DISEÑO DEL PROTOTIPO La figura 1. Muestra la arquitectura del prototipo desarrollado. La comunicación entre los componentes se hace por medio de unas APIs simples desarrolladas en PHP. Figura 1. Arquitectura del Sistema Desarrollado La implementación de la base de datos y de las APIs de comunicación se hizo en una instancia de Google Cloud Compute Engine, esta instancia ejecuta Linux Ubuntu 14, Apache Web Server y PostgreSQL 9.3. Implementación de Algoritmos Criptográficos y de Digestión de Mensajes para un Sistema de Control Escolar con Firma Digital de Calificaciones y Verificación de Firma Digital desde dispositivos Móviles David E. Martínez
- 2. V. CONCEPTOS RSA RSA es uno de los primeros criptosistemas de llave pública y es ampliamente utilizado en la transmisión segura de datos. Este sistema se basa en la dificultad práctica de descomponer en factores el producto de dos números primos grandes. Trabajar con RSA implica el manejo y operación de números enteros arbitrariamente grandes, generación de números enteros primos arbitrariamente grandes, operaciones matemáticas en aritmética modular entre otros. SHA256 Sha256 es un algoritmo de seguridad parte de una familia de algoritmos de seguridad descritos en la especificación FIPS180- 2. SHA256 es un algoritmo iterativo, es una función picadillo de solo ida capaz de procesar un mensaje para producir una forma condensada llamada digesto. Los cuatro algoritmos SHA difieren en los bits de seguridad, el tamaño de los bloques de mensaje y las palabras de datos que utilizan durante la digestión de los mensajes. AES Estándar de Cifrado Avanzado en español, es la especificación para el cifrado de datos electrónicos establecido por el Instituto Nacional de Estándares de los Estados Unidos. AES está basado en el algoritmo de cifrado Rijndael y se encuentra especificado en la publicación FIPS197. El algoritmo Rijndael fue originalmente diseñado para trabajar con varias longitudes de llaves de cifrado pero el estándar contempla 3, las cuales son 128, 192 y 256. AES (Rijndael) es un algoritmo de llave simétrica. AES se basa en las propiedades matemáticas del campo Galois 28 . Bits de seguridad: Los bits de seguridad vienen dados por el espacio de llaves o la dificultad de realizar determinadas operaciones matemáticas como la descomposición en factores. La tabla 1 muestra una comparación de algoritmos de llave simétrica, RSA de diferentes longitudes y las funciones SHA. Tabla 1. Comparación de algoritmos en términos de bits de seguridad. VI. IMPLEMENTACION DE LOS ALGORITMOS Y PRUEBAS Considerando la tabla anterior de bits de seguridad decidí implementar RSA-3072, para que los 3 algoritmos implementados tuvieran 128 bits de seguridad. Es necesario mencionar que este es un trabajo que requeriría revisión pues algunos detalles de implementación podrían reducir la seguridad del sistema en general, pero es parte del proceso de aprendizaje. Implementación del Algoritmo RSA Para la implementación del algoritmo RSA se comenzó por la implementación de las estructuras de almacenamiento de números grandes y los algoritmos necesarios para proporcionar la funcionalidad de operaciones matemáticas sobre dichas estructuras, dicha implementación se basó en la publicación “Large Integer Case Study in C++ for AP Computer Science”. La librería generada no es precisamente una implementación eficiente del almacenamiento de enteros grandes ni se han incorporado los algoritmos más eficientes para algunas operaciones, el propósito de esta librería es didáctico. En algunos casos se tuvo dificultad en la implementación de las operaciones o durante el proceso de pruebas se encontró dificultad en la depuración de dichas operaciones por lo que se implementó una conversión de tipo entre la librería creada y la clase BigInteger de java.Math, este proceso de conversión le resta eficiencia a la librería pero es funcional. Los métodos implementados de forma nativa son: suma, multiplicación, creación de enteros grandes (reserva de almacenamiento, inverso multiplicativo modular (algoritmo extendido de Euclides), prueba de primalidad (Miller-Rabin) y a partir de esta prueba, generación de números primos. Métodos implementados por medio de conversión de tipo: división, substracción (implementación nativa no producía los resultados correctos), exponenciación modular, máximo común divisor, residuo. Para la creación de números aleatorios se utilizó Java.Security.SecureRandom, pero según la investigación realizada, el generador de números aleatorios seguros es uno de los pilares fundamentales de la seguridad del algoritmo por lo que es un tema de investigación pendiente (profundizar e implementar) La ejecución de la generación de parámetros RSA toma relativamente poco tiempo considerando la longitud de los números y que la librería creada no posee optimizaciones. SHA256 Para la implementación de SHA256 se siguió la especificación FIPS180-2 y las pruebas se realizaron en base al hash de prueba que aparece en dicho documento. No se tuvieron dificultades en la implementación de este algoritmo hasta que se realizó la integración al prototipo. Esto se describe en la sección siguiente. AES La implementación del algoritmo Rijndael se hizo en base a la especificación FIPS197, se implementó para funcionar con llaves de 120 bits exclusivamente, es decir, no posee la parametrización para funcionar con llaves de otras longitudes. Para cifrar con AES se implementó el modo de operación ECB por simplicidad. Durante las pruebas fue evidente la necesidad de implementar otro modo de operación, pues en una prueba cambiando un carácter se observó la independencia entre los bloques cifrados. La figura 2 muestra una captura de pantalla de las pruebas de cifrado y descifrado con AES.
- 3. Figura 2. Cambio en un carácter solo se ve reflejado en el bloque que lo contiene. Pruebas en el dispositivo Android Uno de mis mayores puntos de interés era probar el funcionamiento y rendimiento de los 3 algoritmos implementados en el dispositivo Android. Tanto SHA256 y AES ejecutaron sin problemas en poco tiempo, la ejecución de la generación de parámetros RSA-3072 tomó más tiempo pero el programa ejecutó, generó los parámetros y realizó la operación de cifrado y descifrado. Este resultado me pareció interesante para mencionarlo en este reporte. La figura 3 muestra la captura de pantalla de dicha prueba. Figura 3. Ejecución de los algoritmos en un celular Android. Se observa el trabajo del Garbage Collector de Android y el resultado de cifrar un número pequeño utilizando los parámetros generados en ese momento. VII. INTEGRACIÓN DE LOS ALGORITMOS AL PROTOTIPO 1 Para la integración al prototipo, se hicieron varios cambios que pareciera le restaron funcionalidad con respecto al prototipo original, sin embargo con trabajo adicional e investigación se puede alcanzar y mejorar la funcionalidad original. Se cambió el gestor de bases de datos de MySQL a PostgreSQL, también las estructuras de las tablas cambiaron con respecto al prototipo original y los tipos de datos. La funcionalidad de login se suprimió y el programa ejecuta con parámetros fijos para el docente y estudiante, pues el mecanismo de login se espera rediseñar. Igual que el prototipo 1, una aplicación swing permite la generación de parámetros RSA y su almacenamiento. La llave privada se almacena en el disco local y se cifra con AES y la llave pública se almacena en la base de datos, en el registro del docente. Para la generación de la llave AES se utilizó SHA256, solicitando una contraseña al usuario, la cual se ingresa a SHA256, el hash obtenido se ingresa nuevamente a SHA256 y luego se hace un XOR entre el byte 1 y el 16 para obtener una llave de 128 bits. Durante la prueba de firma digital de calificaciones y verificación de la firma en el dispositivo Android encontré un problema en mi implementación de SHA256 en que luego de una ejecución de SHA256 no se inicializaba nuevamente el hash inicial (H0) para ejecuciones posteriores. Las figuras 4 y 5 muestran la aplicación swing y la aplicación Android en ejecución. Figura 4. Aplicación Java Swing. Generación de llaves RSA y Firma Digital de Calificaciones. Figura 5. Verificación de Firma Digital en Android.
- 4. La firma digital se almacena y se representa como una cadena de texto de la representación hexadecimal. En el prototipo 1 se utilizó la cadena en codificación base 64. VIII. CONCLUSIONES Conocer e implementar estos algoritmos fue sumamente interesante. Luego de estudiar estos algoritmos puedo decir que el esfuerzo valió la pena, uno queda invitado a estudiar más sobre el tema. El desarrollo actual permite pasar a otros puntos de interés, por ejemplo implementar confidencialidad en la base de datos, ahora que ya se encuentra en la nube. IX. BIBLIOGRAFÍA Large Integer Case Study in C++ for AP Computer Science http://apcentral.collegeboard.com/apc/public/repository/ap01.p df.lr_7928.pdf RSA (cryptosystem) http://en.wikipedia.org/wiki/RSA_%28cryptosystem%29 FIPS180-2 Secure Hash Algorithms http://csrc.nist.gov/publications/fips/fips180-2/fips180-2.pdf FIPS197 Advanced Encription Standar http://csrc.nist.gov/publications/fips/fips197/fips-197.pdf