Cifrado simétrico para dummies: Vernam

A raíz del post que escribí el otro día sobre cifrado simétrico y asimétrico he decidido que sería instructivo crear un post que hablara sobre el que posiblemente sea el cifrador simétrico más simple que existe: el cifrado usando el método Vernam.

La idea de usar un algoritmo simple es crear un sencillo script de python que lo implemente sin capas de abstracción (como son librerías de terceros). Intentaré mostrar los resultados y dejaré el código enlazado abajo para quién quiera revisarlo.

¡Empezemos!

Entorno usado

Para las pruebas y los resultados he usado una máquina GNU/Linux. Ya que dispone de herramientas muy cómodas para acceder y manipular los datos de los ficheros.

Una de estas herramientas es el comando xxd que muestra todos los bytes del contenido de un fichero en hexadecimal y su traducción a ASCII. Lo he usado para las pruebas y voy a explicarlo con una captura para que no te pierdas. Veamos un ejemplo:

Vale, voy a explicar las secciones de xxd según los colores que he marcado:

• Azul: esta sección representa en hexadecimal la posición de memoria del fichero que corresponde al primer byte de esa línea. Por ejemplo, la primera nos dice que el byte 48 que corresponde al caracter ‘H’ está en la primera posición. No le daremos mucha importancia a esta sección.

• Rojo: posiblemente la más importante. Representa en hexadecimal el valor en ‘crudo’ de cada byte del fichero, sin importar el tipo de fichero que sea. Cada byte son dos dígitos.

• Verde: esta sección intenta mostrar los caracteres que pertenecen al byte de cada posición de la sección que tiene a su izquierda. Si no es posible convertir a un caracter ASCII nos muestra un punto. Cada byte es un caracter, por lo tanto es obvio pensar que esta sección ocupa la mitad de espacio que la anterior.

Este comando tiene muchos parámetros útiles, pero no nos hacen falta para esto. Ahora vamos con lo divertido.

Cifrado Vernam

El cifrado Vernam es muy sencillo, solo tienes que entender qué es la operación XOR a nivel de bytes y la conversión de texto a hexadecimal con la tabla ASCII. Lo de la taba ASCII es para comprender los ejemplos, a Vernam le da igual si tu fichero tiene texto o una foto de tu gato. He joseado este esquema de internet porque era el más fácil de entender:

Explico un poco como sería:

1. Creamos una clave de cifrado que tiene el mismo tamaño (en bytes) que el mensaje que vamos a cifrar.
2. Por cada byte del mensaje a cifrar realizamos la operación XOR con el byte de la misma posición en la clave.

Parece absurdo, ¿a que sí? Pues es el único cifrado irrompible siempre que no se repita la clave de cifrado para cualquier otro fichero/mensaje. Luego explico el motivo.

El código

Cifrado/descifrado

Lo he codificado en python3 porque es un lenguaje que adoro, puedes hacerlo en C si te gusta sufrir ;). Aquí tenemos la parte que hace toda la magia:

def cifrar(clave, datos):

    n = len(datos)

    if len(clave) != n:
        print("Error: la longitud de clave y los datos no coincide.")
        return
    
    resultado = []

    for i in range(0, n):
        resultado.append(clave[i] ^ datos[i])

    return resultado

Los parámetros clave y datos son arrays de bytes. Tan simple como eso.

¿Recuerdas el concepto de cifrado simétrico? ¿Cómo harías para descifrar algo que has cifrado con la función de arriba? Así:

def descifrar(clave, datos):
    return cifrar(clave, datos)

Espero que lo entiendas xD

Generación de clave

Para generar la clave otra función sencillita:

def generar_clave(datos):
len(datos)
    clave = os.urandom(n_bytes)
    return clave

Aquí usamos una función que viene en las librerías estándar de python: urandom(n) q ue sirve para generar el número de bytes aleatorios que le digamos. Se usa la librería os porque le pide al sistema operativo que los genere él.

Otros

Aparte de estas funciones que son el núcleo de nuestro cifrado le he añadido manejo de parámetros y lectura/escritura en ficheros, como he dicho subiré el código completo y dejaré el enlace abajo.

Pruebas

Cifrar

Creamos un fichero de texto, así será más ilustrativo. Después usamos el script para cifrar ese fichero, con lo que nos generará el fichero que contiene la clave y una copia con el fichero cifrado. Aquí una captura:

Descifrar

Eliminamos el fichero de texto original para quedarnos solo con el fichero cifrado, así podemos comprobar que funciona el script, descifrando y obteniendo el resultado original:

¿Por qué no hay que repetir la clave nunca en Vernam?

Aunque sea difícil de repetir porque cada fichero tiene su tamaño, existen entornos donde los datos siempre tienen las mismas dimensiones. Si tuvieramos la gran idea de usar la misma clave para todo estaríamos cometiendo un grave error.

La explicación es que la operación XOR la carga el diablo: con una sola de las dos entradas y su salida podemos obtener la otra entrada.

Eso significa que si de algún modo consiguieran obtener uno de los ficheros sin cifrar con su equivalente cifrado se desmontaría todo el sistema, ya que seríamos capaces de obtener la clave de cifrado.

Os lo voy a demostrar. Para ello creamos un segundo fichero de texto plano que tenga exactamente la misma longitud que el fichero usado anteriormente y lo comprobamos por si acaso:

Como vemos tenemos dos ficheros con textos diferentes pero exactamente la misma longitud entre ellos y la misma que la clave. Ahora para realizar la demostración, ciframos el segundo fichero, borramos el segundo fichero original y la clave de cifrado. Recuerda que en este paso tenemos el fichero uno cifrado y su equivalente sin cifrar:

Vale, ahora tenemos los siguientes ficheros:

• Fichero 1 cifrado
• Fichero 1 sin cifrar
• Fichero 2 cifrado

Ahora usamos uno de los dos ficheros 1 como clave y el otro como si fuese el fichero cifrado. No importa el orden (el orden de los factores no altera el producto ;D). Con esto obtendremos un fichero que será la clave que habíamos usado para cifrarlos:

(Lo de mover el fichero lo hago para que al “descifrar” no sobreescriba el fichero original, pero esto no importa mucho, una vez tengamos ya la clave nos daría igual).

Una vez obtenida la clave la usamos como para descifrar el fichero 2:

Y podemos comprobar que el fichero 2 se ha descifrado perfectamente :O.

Conclusión: Si la clave es única para cada fichero no nos sirve para nada, total ya teníamos ese fichero sin cifrar. Por eso se dice que es seguro siempre que la clave sea única para cada mensaje.

¿Por qué no ciframos ficheros con Vernam?

Por dos sencillos motivos:

1. Guardar la clave sin exponerla y de forma segura es complicado.

2. El tamaño de la clave ha de ser igual al fichero a cifrar, eso significa que si queremos cifrar por ejemplo una película de 4 GiB, la clave ocupará otros 4 GiB. A esto debemos sumarle lo de que cada clave ha de ser única, imaginate cifrar un disco duro entero de 1 TiB: otro TiB para la clave :D.

Links de interés

• Conversor ASCII a Hexadecimal
• Tabla ASCII
• Código completo del script usado para este post