Como anda a criptografia

O que é criptografia?

É uma área de estudo que tem foco em transferir dados entre um grupo sem que alguém de fora desse grupo consiga recuperar os dados. Para isso é necessário alguma convenção do grupo, todos eles devem usar um mesmo mecanismo que geralmente envolve algum passo a passo, o que chamamos de algoritmo, e uma chave que apenas as pessoas do grupo podem ter acesso.

Criptografia clássica

Desde muito tempo temos essa necessidade de trocar informações de forma secreta, então antes mesmo de existir computadores já existia a criptografia. Antigamente eram bem comuns esquemas de cifra de substituição, ou seja, um grupo criava um mapa de representação de caracteres, por exemplo o “A” vira “C”, “B” vira “K”, e por aí vai.

Um bom exemplo é a cifra de césar, também conhecida como ROT13, é uma cifra de substituição bem simples que cada caractere é mapeado para uma posição, por exemplo “A” vira “0”, “B” vira “1”, etc. Depois disso era escolhida uma chave, no caso o césar escolheu 13, e todas as posições eram somadas 13, então onde tinha “A” vira a letra na posição 13 que é a letra “N”, “B” vira a da posição 14 ou seja a letra “O”, etc.

Figura 1 - Uma ilustração do mapa e a palavra CESAR ambas com a chave 13

Além da cifra de César, outra bem comum, porém menos antiga, é a cifra de Vigenère que na verdade é uma generalização da cifra de César. Basicamente invés de somar uma chave fixa vamos somar o deslocamento da chave mais do texto simples. Por exemplo, vamos ter uma chave “ACB” e um texto simples “DFG”, então o “D” vira a posição 4 do alfabeto que começa com a letra “A”, o “F” vira a posição 6 do alfabeto que começa com C e por aí vai.

Criptografia moderna

Com a popularização dos computadores a criptografia clássica foi ficando obsoleta porque a capacidade de cálculo do computador é muito alta. Logo, por exemplo,  se uma pessoa interceptar uma cifra feita com o esquema de César fica muito fácil para ela recuperar a informação sem saber a chave, apenas testando todas as chaves possíveis.

A partir dessa fraqueza dos esquemas clássicos surgiu a criptografia moderna que engloba esquemas de chave simétrica, assimétrica e funções hash. A criptografia de chave simétrica funciona com o princípio de que existe uma chave secreta e alguns exemplos de primitivas são AES e Salsa20. Em geral, essas primitivas se baseiam em uma matemática pesada, extensa e difícil que acaba se reduzindo a operações de bit a bit, como XOR e AND. Embora as primitivas já tragam bastante segurança, não é recomendado usar apenas a primitiva e sim uma implementação dela, como por exemplo AES-256 que usa a primitiva do AES porém com uma chave de 256 bits. Além disso, no caso de cifras em blocos, também é interessante utilizar algum modo de operação, que é essencialmente como cada bloco vai ser processado a cada passo da encriptação.

Figura 2 - Criptografia com chave simétrica

Além da criptografia de chave simétrica, também existe a de chave assimétrica que se baseia em uma chave pública, que pode ser conhecida por qualquer um, e uma privada, que é secreta. As primitivas desse tipo são baseadas em uma função armadilha, que é uma função na qual é muito fácil realizar uma operação de transformação mas é muito difícil realizar o inverso. Um bom exemplo para esse tipo é o RSA, as funções armadilhas do RSA são a de logaritmo discreto e a fatoração de um número.

Figura 3 - Criptografia com chave assimétrica

Além desses esquemas também vieram as funções hash, que são funções que transformam um dado em um conjunto de bits de forma que aquele dado seja único, para garantir unicidade na verdade se parte do princípio de que com uma probabilidade muito baixa dois dados vão ter o mesmo conjunto de bits, então sempre pode acontecer de ter a chamada colisão que é quando dois dados geram a mesma hash. Exemplos de funções hash são MD5 e SHA1, que  estão depreciadas pois já foram encontradas formas de gerar colisão, e SHA2 que até agora está bem.

Criptografia pós quântica

Na década de 90, mais precisamente entre 1995 e 1996, surgiram dois algoritmos, um deles, o algoritmo de Shor, diz que é possível inverter uma função armadilha na qual grande parte dos esquemas assimétricos são estruturados e o outro, algoritmo de Grover, descreve uma forma de diminuir o tempo da busca pela chave secreta de esquemas simétricos. Porém ambos algoritmos precisam de um computador quântico que ainda não foi desenvolvido, com a chegada desses algoritmos a comunidade científica que pesquisa criptografia viu que era necessário criar esquemas baseados em problemas que nem computadores quânticos conseguissem quebrar, e aí surgiu a criptografia pós quântica.

Só para sabermos a proporção, ter esses algoritmos significa que qualquer um com acesso a um computador quântico forte o suficiente vai conseguir ver qualquer dado que uma pessoa troca com a maioria dos sites, seja cartão de crédito, endereço, senhas, isso porque a maioria dos sites usa um esquema junto do protocolo TLS que é “quebrável” com o algoritmo de Shor.

Embora os algoritmos existam há bastante tempo, somente em 2016 começaram a planejar uma padronização assim como fizeram com AES e RSA. O National Institute of Standards and Technology ou NIST organizou alguns rounds em que pesquisadores pudessem compartilhar esquemas que pudessem ser usados como primitivas para uma troca segura de informações. Os esquemas nesses rounds são divididos em algumas funções de armadilha que possuem muitos casos de borda e acabam sendo bem fáceis de resolver nesses casos, então para criar um esquema bom é preciso bastante conhecimento no problema matemático que ele é baseado, além de conhecimento de ataques.

Como transferir/armazenar dados de forma segura?

Transferir dados de forma segura parece uma tarefa difícil depois de ler um pouco sobre criptografia pós quântica, porém ainda não sabemos quando um computador quântico bom o suficiente vai ser criado.

Para transferir dados encriptados em um protocolo de texto usamos algum tipo de encoding. Encoding é só uma tradução do dado de uma convenção para outra, os mais comuns que consigo lembrar são codificação base64 e hexadecimal. Lembrando que encoding não é considerado criptografia pois não envolve nenhuma chave e nem funções de uma via, como nos hashes.

Seguem algumas boas práticas para troca e armazenamento de dados:

• Nunca implemente um esquema criptográfico. Sempre use bibliotecas de preferência com código aberto, a não ser que você saiba realmente o que está fazendo.

• Nunca armazene senhas em texto simples. É recomendado armazenar hashes de senhas.

• Sempre verifique a integridade do arquivo que foi transferido, seja pela hash ou verificando alguma assinatura.

• Sempre troque chaves secretas com algum mecanismo seguro de troca de chaves.

Para se manter atualizado sobre o estado da arte da criptografia é interessante ver blogs de pesquisadores e publicações científicas. Muitos pesquisadores publicam no ePrint da iacr onde também tem várias palestras gratuitas. Outras apresentações muito boas são da conferência Chaos Computer Club, onde grandes pesquisadores montam palestras com conteúdo muito bom e didático. Se você curte uns desafios, também tem o site CryptoHack, que tem vários desafios bem interessantes de RSA, criptografia de curvas elípticas, AES, desafios matemáticos e até alguns de hashing.