García Arnau, Marc

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CRIPTOGRAFÍA CLÁSICA. ¿CÓMO ROMPER CIFRADOS MONOALFABÉTICOS y POLIALFABÉTICOS? ANÁLISIS DE FRECUENCIAS Y MÉTODO KASISKI. Marc García Arnau Estudiante de Telecom Paris (ENST) y de la Facultad de Infomuízica de la UPM. ¿QUÉ ES LA CRIPTOGRAFÍA? ¿CUÁNDO SURGIÓ? Es fascinante ver como, a lo largo de los tiempos, el hombre ha ido progresando en el arte de controlar los secretos, y como su empeño por dominar la información, ha ido enmarañando los mecanismos para garantizar la confi dencialidad la de la misma. La información y su conocimiento son consustánciales al hombre ya la vida y, a veces, pueden tomarse comprometidas y por ello, adqui-rir un gran valor. La criptografía nació, entonces, de la necesidad de salva-guardar la confidencialidad de la información. En reali-dad, la propia raíz etimológica de la palabra criptografía nos da una idea de su utilidad. Del griego (kryptos) , «oculto» y (graptos), «escrito», actualmente su definición podría perfectamente ser la de "arte de cifrar mensajes" o la de "ciencia que estudia los procesos de cifrado y descifrado de los mensajes". El resultado inmediato de cifrar un texto o documento es lo que conocemos por criptograma, y el criptoanáli sis, la ciencia, proceso, o arte, encargado del análi sis de dichos criptogramas para descu-brir su clave o su texto original. Debemos remontarnos al antiguo Egipto y a Mesopotamia, es decir, a los orígenes de la civili zación humana, para encontrar los primeros indicios de protocriptografía. Allí se dan ciertos hechos ligados a las escrituras jeroglífica y cuneiforme que pretendian transformar deliberadamente la escritura. A partir de entonces, y a lo largo de los distintos periodos de la histori a, se guardan referencias de curiosos e ingeniosos métodos de comunicación secreta con fines, habitualmente, milüares o políticos. Como es el caso de la antigua China, donde de usaron métodos más bien esteganográficos (ocultación de la información), para mantener la privacidad de la misma. Así, se enviaban mensajeros que memorizaban los mensajes, o bien éstos se esclibían en papel o seda y, tras cubrirlos con una bola de cera, se invitaba a los siempre dispuestos mensajeros a esconderlos en alguna parte de su cuerpo ( ... ). O como cuando Histi aeus envió un mensaje desde la corte persa a su yerno el ti rano Aristágoras de Mi leto (Grecia) , para que se sublevara contra el emperador Ciro de Persia antes de que éste les atacase. Para ello, afeitó la cabeza de un siervo leal y le tatuó en eUa un mensaje. Eso sí, tuvo que esperar a que le creciera el pelo antes de dejarlo partir hacia Mileto . • RAMA DE E STUDIANTES DEL IEEE DE B ARCELO A En el siglo V a.e., durante la guerras entre las polis griegas de Esparta y Atena , ya se usaron ciertos disposi-tivos de cifrado. Como es el ca o de la "escítala de los Lacedemonios", que podría clasificarse dentro de los ll amados métodos de transposición. Consistía en una cinta de papiro enrollada en un cilindro o bastón (cuyo diámetro determina la clave), sobre la cual escribían el texto en claro horizontalmente. Al desenrollar la cinta del bastón, las letras aparecían permutadas y constituían un mensaje cifrado que, posteriormente, era enviado al receptor. Éste, que di sponía de una copia idéntica del bastón (es decir, conocía la clave) volvía a colocar la cinta y era capaz de leer el mensaje en claro. EL CIFRADO DE CESAR Y SU CRIPTOANÁLISIS. Por supuesto, no podíamos olvidar el primer de los méto-dos de sustitución monoalfabética, el conocido método de Cesar. Este método fue el empleado por J uljo Cesar en sus campañas durante el siglo 1 a.e. para transmitir infonna-ción en secreto. Era, como decimos, una sustitución que consistía en cifrar un mensaje empleando un alfabeto equivalente al original, pero desplazado en 3 letras. Es dec ir, al cifrar por eje mpl o las palabras GA LOS IRREDUCTIBLES con este algoritmo, Cesar obtendría: JDÑRVLUUHGXFWLEÑHV El primer criptoanáli sis aplicable sería el método de complementación al componente original, es decir, pro-bar las 27 permutaciones posibles obtenidas como resul-tado de desplazar una posición cada vez las letras de una palabra del criptograma. Por ejemplo, para JDÑRV, analizando los 27 resul tados es más que probable que encontremos una única palabra que tenga significado en español, con lo cual solo tendríamos que utilizar el mismo desplazamiento obtenido para descifrar el resto del texto. El segundo criptoanáli sis aplicable a este tipo de cifrado es el análisis de frecuencias . De una forma un tanto más elegante que el anterior, mediante este método, estudia-mos la frecuencia relati va de aparición de las diferentes letras del texto cifrado, para compararlas con una descrip-ción estadística que hayamos obtenido del lenguaje, en el que sospechemos o sepamos que se encuentra el mensaje original También se puede realizar un estudio sobre las 95 palabras más usadas, o sobre los digramas y trigramas que constituyen el inicio y terminación más frecuente de las palabras de un lenguaje. Por ejemplo, para un texto en español lo suficientemente representativo, se ha obtenido la siguiente distribución de frecuencias: r---A 5' 1::.,1:5'1: B 5 1.5~1r e 15 4,5.5\J Análisis de Frecuencias o 15 4,S.5>'!i E 40 12, 12~ F 1 O.::HI$j> 18% 6 s 1,82~ ,'" H • 1.:ns:¡. I 21 6.36:2r 14% . J , 0,91%-'" l 24 1.27% AA B 2.,1.2% 10% . N 20 Ci,OSIS Ñ Q D,OQ::rr o 27 6, lar} f ? 2,12!1J' Q o 0,00\1 R 21 f3,36:! .. . 6% . • • • .. . 11 • , . ... ,. 1111 .U •• 111 .'. IIt.,t ,. S 31 9,33S] .lB COE fG U I J lMNIiOPDRS TUIIlI'fZ T 12 U 10 V ] O.9lÚ' X 1 0,30% Y ] 0,91%' c.i.. 1 O.3[]~ Figuras 1 Y 2.- Análisis de frecuencias del criptograma Este tipo de criptoanálisis es terriblemente efectivo para cifrado monoalfabético. Al emplearlo, se pone en eviden-cia la principal vulnerabilidad de este método pues, el hecho de sustituir unas letras por otras siguiendo siempre la misma congruencia lineal, hace que las propiedades estadísticas d(1l criptograma y del texto en claro sean exactamente las mismas. Simplemente hay que llevar a cabo un análisis estadístico de los símbolos del criptograma e intentar solaparlo o encajarlo con la distribución de los símbolos de nuestro idioma De esta forma, hallaremos el desplazamiento que fue aplicado al cifrar el texto original y podremos descifrar, inmediatamente, el resto del men-saje. Por ejemplo, si interceptamos el siguiente mensaje cifrado: DQR FLPFXHPWD DPWHV GH FULVWR WRGD ND JDÑLD HVWD RFXSDGA OHPRV XPD SHTXHQD DÑGHD GH LUUHGXFWLEÑHV JDÑRV TXH UHVLVWH DKRUD B VLHOSUH DÑ LPYDVRU El análisis de frecuencias de los símbolos de este criptograma es: 1 1 181 5 616 21 8 6 2 6 28 32 7107 6 1 ABCDEFGHI KLMNÑOPQRSTUVWXYZ Tablal.- Frecuencia de aparición de cada símbolo en el criptograma Si se observa atentamente esta tabla, que refleja el número de apariciones de cada letra en el texto cifrado, y se compara con el gráfico de frecuencias, se puede hallar rápidamente un encaje con otro alfabeto equivalente des-plazado. Únicamente hay que tratar de hacer concordar 96 las letras más frecuentes en castellano con las más frecuen-tes en el criptograma. Así, sabiendo que una de las letras más utilizadas en español es la a, se le puede hacer corresponder laD, que es la más frecuente en nuestro texto cifrado. Cuatro posiciones a la derecha de la D, encontramos la H, también con un altísimo número de apariciones. Se puede entonces pensar que dichaH puede ser la sustituta de la letra e, también muy frecuente en nuestro idioma. En efecto, en el alfabeto español la a y la e distan exactamente cuatro lugares, con lo que se intuye que vamos por el buen camino. Se puede corroborar nuestra hipótesis procediendo de la misma mane-ra con las letras menos frecuentes del lenguaje. Finalmente, concluimos que se trata de un cifrado monoalfabético con la siguiente correspondencia entre letras: Criptograma Frecuencia Texto claro A 1 X B 1 Y C - Z D 18 A E 1 B F 5 C G 6 D H 16 E 1 - F J 2 G K 1 H L 8 1 M - J N - K Ñ 6 L O 2 M P 6 N Q 2 Ñ R 8 O S 3 P T 2 Q U 7 R V 10 S W 7 T X 6 U Y 1 V Z - W Tabla2.- Correspondencia entre las letras del criptograma y las del texto en claro Es decir, el desplazamiento de este cifrado monoalfabético es 3. Para comprobarlo, aplicamos este cambio al mensaje cifrado y obtenemos: AÑo CINCUENTA ANTES DE CRISTO TODA lA GAllA ESTA OCUPADA MENOS UNA PEQUEÑA ALDEA DE IRREDUCTIBLES GALOS QUE RESISTE AHORA y SIEM-PREALINVASOR MÉTODO KASISKI. CRIPTOANÁLISIS DE CIFRADOS POLIALFABÉTICOS. La sustitución polialfabética es una generalización de los sistemas de sustitución monoalfabeto. Este tipo de sustitu-ción consiste en cifrar empleando una clave compuesta, es decir, de dos símbolos o más, que se usa cíclicamente. BURAN N°19 ABRIL 2003 Un buen ejemplo de cifrado poliaJfabético es el cifrado de Vigenére, que se sirve de una tabla para faci litar las operaciones de cifrado y descifrado. Es intere ante resaJ-tar e l hecho de que cada una de la fi las de esta tabla no on má que un cifrado de Ce aro La primera tiene un de pla-zamiento de O, la segunda de 1, y así sucesivamente: A A CD EFG H I JK LM OP CRSTU VW XVZ El ElC E FG I J LMN PQ RS VWXVZA e CDEFGHIJ KLM NO PQRSTU VWXY ZAH DEF HI J KL llOP RS T YW 'IZASC E EF GH IJK LM OPCRSTU V K~Z A CD F FG I J KLMN OP QRS TU VWX V2 AEl CD E G GHIJ K MNO PQRS TU VWXYZ4 El CD EF H H I JK Lt1 OP QRSTUVW)('IZABC DEFG I IJ LM r OPO TUVWKVZA CDE F H J J K MNOP QR STU VWXVZA BCDEF GHI K K LHN OP QRST YW )! '1 Z6El CDE FG I J L LH OPQRST UY KV ZA CDEFGHI JK M MNOP ORST UVWXV 2ABCD EFG HIJK L N PQ RSTUVWXYZA BCDEF G IJ KLM OPQRSTU VW ~ YZ ~BCDEFGHIJ KLHN PQRSTU WK~Z A CDEF HI J KLHN O o 5 T U VWX V 2 AB o U G I J L P R STUVW~YZABCD EFG H I J K rHWP Q 5 s V\ K ZAe CDEFGHIJ KLM NO PQ R T TUVWX V2AEl CD EFG HI JK LH OP QRS U U VWX~ ~ ABC D EFG HI J ' LMN D PO ST v VW MVZABCD EFGHIJK LMNO PQR STU W WKV ZABCDE FG HI JK MNOP QRSTUY X XV2 AEl CO EFG HIJK LMNO PQRST UVW y y ZA8CD E FG H I JK LMN OP Of? STUV't/X Z ZAe CDEFGHIJ K MNOPQRS TU VWXY Figura 3.- Tabla de Vigenere A diferencia de los c ifrados mo noalfabéti cos, los polialfabéticos no conservan la misma distribución de frecuencias del texto original . Son más próximos a un c ifrador ideal (como el de Vemam) ya que su distribución de símbolos se acerca más a una Uniforme. Sin embargo, pese a ser más segura que la monoaJfabética, la sustitución po lia lfabética no es inmune aJ criptoaná Lisi . Efectivamente, un oficiaJ prusiano ll am ado Kas iski (1805 - 188 l), e laboró un método para haJJar el número de aJfabetos en una sustituc ión poli aJfabética. El método se basa en la idea de que en todos los idiomas aparecen grupos de caracteres con más frecuencia que otros . Es decir, por ejemplo en castellano, existen ciertos di gramas y trigramas que tienen mucha más probabilidad de darse que otros , en un texto, como son: es, de, os , en, la, con, etc . S i un texto se c i fra con un número x de alfabetos de fo rma cícli ca y, si un gru po de caracteres aparece un númeroyde veces en un tex to, éste será cifrado aprox imadamente y/n veces con el mismo aJfabeto. En resumen, en un criptograma lo s uficien temente ex te nso enco ntraremos, ineludiblemente, repeticiones. Por ejemplo, supongamos que ciframos el siguiente alfabeto con la clave G/N (3 alfabetos): DEseo FIANZA eo, 1. _ el ell'elNelN elN GI MF I III'ZLP¡'; HN I III'Z KT Se puede ver como, separada por 9 espacios, aparece repetida la cadena IWZ. Así pues, se puede ya deducir que • RAMA DE ESTUDIANTES DEL IEEE DE B ARCELONA los posibles periodos de nuestra clave serán l , 3 ó 9. Hay que decidirse por una de las aJtem ativas, así que escoge-mos el 3 (la correcta, por otro lado) para avanzar con el método. A continuación , lo que e debe hacer e reordenar el texto cifrado en un número de columnas iguaJ aJ periodo de clave upuesto correcto. Esta es la estrategia ganadora pues, tras hacer esto, el problema podrá ser tratado por co I u mnas independ i en tes. Cada u na de esa col u mnas será J M F 1 \Y./ Z L P Ji S H Ji 1 \Y./ Z K T . . . un simple cifrado monoalfabéti co, de criptoanáli sis sim-ple, como ya se ha visto en el apartado anterior. E l pro bl em a de descifrar un c riptogra ma que pre-senta ba un a d is tribu c ió n de f rec ue nc ias co nsidera-ble me nte uni fo rme ha qu edado redu c ido a tres a ná-li s is f recue nc ia les inde pe ndie ntes, un o para cada columna. Es inte resante resa lta r que, a lg un as veces, pu ede n a parecer re pe ti c io nes que son fr uto de la cas ua li -d ad . Pero juega a nu es tro f avo r el hec ho de que es tas re pe ti c io nes casua les es tá n di s tribuidas a l aza r, mi e ntras que las re peti c io nes útil es a nues tra causa se da n te nazme nte segú n la mi s ma pa uta. Paradójicame nte, e l docume nto de 95 pág inas que publi có Frede ri c h W . Kas iski no causó ning ún inte -rés e n su é poca y dec idi ó a ba nd o na r e l c riptoaná li s is para dedi ca rse a la a ntro po logía . REFERENCIAS [ l ] http ://s tarbase.cs. t rinco ll .edu/-c rypto/hi s to ri cal/ vigenere.htrnJ [2] Seguridad y Protecc ión de la In formación. J o s é Luís Morant Ramon, ... ED . Centro de Estudios Ra-món Areces, S.A. [3] http ://ri nconquevedo.iespan a.es/ri nconq uevedo/ CriptografiaJintroduccion.htm AUTOR Carda Arnau, Marc. Ingenierio en InformáTica por la UPM. Ac-Tualmenre eSTudia un másTer en siSTemas informáticos en la École Supérieure Nacional de Télécornrnunications . 97 

Criptografía clásica. ¿Cómo romper cifrados monoalfabéticos y polialfabéticos? Análisis de frecuencias y método Kasiski

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