Criptografia

Criptografia chave simétrica, onde a mesma chave é utilizada para cifrar e decifrar.

A máquina Enigma, utilizada na cifragem e decifragem de mensagens secretas.
Criptografia (Do Grego kryptós, "escondido", e gráphein, "escrita") é o estudo dos princípios e técnicas pelas quais a informação pode ser transformada da sua forma original para outra ilegível, de forma que possa ser conhecida apenas por seu destinatário (detentor da "chave secreta"), o que a torna difícil de ser lida por alguém não autorizado. Assim sendo, só o receptor da mensagem pode ler a informação com facilidade. É um ramo da Matemática, parte da Criptologia.1 2 Há dois tipos de chaves criptográficas: chaves simétricas e chaves assimétrica.3 Uma informação não-cifrada que é enviada de uma pessoa (ou organização) para outra é chamada de "texto claro" (plaintext). Cifragem é o processo de conversão de um texto claro para um código cifrado e decifragem é o processo contrário, de recuperar o texto original a partir de um texto cifrado. De facto, o estudo da criptografia cobre bem mais do que apenas cifragem e decifragem. É um ramo especializado da teoria da informação com muitas contribuições de outros campos da matemática e do conhecimento, incluindo autores como Maquiavel, Sun Tzu e Karl von Clausewitz. A criptografia moderna é basicamente formada pelo estudo dos algoritmos criptográficos que podem ser implementados em computadores.

Índice

1 Terminologia
2 História
3 Cifras e Códigos
3.1 Chave Criptográfica
4 Visão geral: objetivos
5 Criptografia Clássica
6 Criptografia Moderna
6.1 Criptografia Quântica
7 Gestão de direitos digitais
8 Alguns algoritmos e sistemas criptográficos
8.1 Funções de Hash criptográfico, ou message digest
8.2 Sistemas Free/Open Source
8.3 Algoritmos assimétricos ou de chave pública
8.4 Algoritmos simétricos
9 Referências
10 Bibliografia


Terminologia

O termo é comumente usado para se referir a área de estudo de forma abrangente, como criptologia ("o estudo dos segredos"). Outros termos relacionados são: Criptoanálise, Esteganografia, Esteganálise, Código, e Criptologia. Alguns autores cunharam o termo Criptovirologia para se referir a vírus que contém e usam chaves públicas.4 O estudo das formas de esconder o significado de uma mensagem usando técnicas de cifragem tem sido acompanhado pelo estudo das formas de conseguir ler a mensagem quando não se é o destinatário; este campo de estudo é chamado criptoanálise.5

As pessoas envolvidas neste trabalho, e na criptografia em geral, são chamados criptógrafos, criptólogos ou criptoanalistas, dependendo de suas funções específicas.

A Esteganografia é o estudo das técnicas de ocultação de mensagens dentro de outras, diferentemente da Criptografia, que a altera de forma a tornar seu significado original ininteligível. A Esteganografia não é considerada parte da Criptologia, apesar de muitas vezes ser estudada em contextos semelhantes e pelos mesmos pesquisadores. A Esteganálise é o equivalente a criptoanálise com relação à Esteganografia.6

História

Antigamente, a cifragem era utilizada na troca de mensagens, sobretudo em assuntos ligados à guerra (no intuito de o inimigo não descobrir a estratégia do emissor da mensagem, caso se apoderasse dela), ao amor (para que os segredos amorosos não fossem descobertos pelos familiares) e à diplomacia (para que facções rivais não estragassem os planos de acordos diplomáticos entre nações). O primeiro uso documentado da criptografia foi em torno de 1900 a.c., no Egito, quando um escriba usou hieróglifos fora do padrão numa inscrição.

Entre 600 a.c. e 500 a.c., os hebreus utilizavam a cifra de substituição simples (de fácil reversão e fazendo uso de cifragem dupla para obter o texto original), sendo monoalfabético e monogrâmica (os caracteres são trocados um a um por outros), e com ela escreveram o Livro de Jeremias.

O chamado "Codificador de Júlio César" ou "Cifra de César" que apresentava uma das técnicas mais clássicas de criptografia, é um exemplo de substituição que, simplesmente, substitui as letras do alfabeto avançando três casas. O autor da cifragem trocava cada letra por outra situada a três posições à frente no alfabeto. Segundo o autor, esse algoritmo foi responsável por enganar muitos inimigos do Império Romano; no entanto, após ter sido descoberta a chave, como todas, perdeu sua funcionalidade.

Em 1586, destacam-se os estudos de Blaise de Vigenère que constituíram um método muito interessante; é a cifra de Vigenère que utiliza a substituição de letras. Tal processo consiste na seqüência de várias cifras (como as de César) com diferentes valores de deslocamento alfanumérico. A partir desse período, Renascença, a criptologia começou a ser seriamente estudada no Ocidente e, assim, diversas técnicas foram utilizadas e os antigos códigos monoalfabéticos foram, aos poucos, sendo substituídos por polialfabéticos.

Dos anos 700 a 1200, são relatados incríveis estudos estatísticos, em que se destacam expoentes como al-Khalil, al-Kindi, Ibn Dunainir e Ibn Adlan, que marcaram sua época. Na Idade Média, a civilização árabe-islâmica contribuiu muito para os processos criptográficos, sobretudo quanto à criptoanálise (análise da codificação, a procura de padrões que identificassem mensagens camufladas por códigos).

Na Idade Moderna, merecem destaque o holandês Kerckhoff e o alemão Kasiski. Modernamente, em 1918, Arthur Scherbius desenvolveu uma máquina de criptografia chamada Enigma, utilizada amplamente pela marinha de guerra alemã em 1926, como a principal forma de comunicação.

Em 1928, o exército alemão construiu uma versão conhecida como "Enigma G", que tinha como garantidor de segurança a troca periódica mensal de suas chaves. Essa máquina tinha como diferencial ser elétrico-mecânica, funcionando com três (inicialmente) a oito rotores. Aparentava ser uma máquina de escrever, mas quando o usuário pressionava uma tecla, o rotor da esquerda avançava uma posição, provocando a rotação dos demais rotores à direita, sendo que esse movimento dos rotores gerava diferentes combinações de encriptação.

Assim, a codificação da mensagem pelas máquinas "Enigma" era de muito difícil decodificação, uma vez que, para isso, era necessário ter outra máquina dessas e saber qual a chave (esquema) utilizada para realizar a codificação.

A Colossus surgiu do esforço de engenharia reversa das forças aliadas em decriptar as mensagens da marinha e do exército alemão, só logrando efetivo êxito após se ter conseguido uma máquina Enigma alemã (furtada). Tais equipamentos foram, inicialmente, desenvolvidos como máquinas de decriptação, mas depois passaram a codificar mensagens das forças aliadas.

Depois, surgiram outras máquinas fisicamente semelhantes à Enigma (pareciam com antigas máquinas de escrever), porém foram aperfeiçoadas de forma a dificultar o mais possível a decriptação por quem não as possuísse.

Devido aos esforços de guerra, a criptografia passou a ser largamente utilizada. Em 1948, Claude Shannon desenvolveu a Teoria Matemática da Comunicação, que permitiu grandes desenvolvimentos nos padrões de criptografia e na criptoanálise.

Durante a chamada "Guerra Fria", entre Estados Unidos e União Soviética, foram criados e utilizados diversos métodos a fim de esconder mensagens a respeito de estratégias e operações, criptografadas com diferentes métodos e chaves.

Diffie e Hellman revolucionaram os sistemas de criptografia existentes até 1976, a partir do desenvolvimento de um sistema de criptografia de chave pública que foi aperfeiçoado por pesquisadores do MIT e deu origem ao algoritmo RSA.

Além dos avanços da criptografia, a criptoanálise se desenvolveu muito com os esforços de se descobrir padrões e chaves, além da diversidade dos canais de propagação das mensagens criptografadas. Desses esforços, surgiram diversos tipos de criptografia, tais como por chave simétrica, por chave assimétrica, por hash e até a chamada criptografia quântica, que se encontra, hoje, em desenvolvimento.

Durante muito tempo, o termo referiu-se exclusivamente à cifragem, o processo de converter uma informação comum (texto claro) em algo não-inteligível; o qual chama-se texto cifrado. Adecifragem é a tarefa contrária, dado uma informação não-inteligível convertê-la em texto claro. No uso coloquial, o termo "código" é usado para referir-se a qualquer método de cifragem ou similar. Em criptografia, "código" tem um significado mais específico, refere-se a substituição de uma unidade significativa (i.e., o significado de uma palavra ou frase) pelo substituto equivalente. Códigos não são mais usados na criptografia moderna, visto que o uso de cifras se tornou mais prático e seguro, como também melhor adaptado aos computadores.

Nos dias atuais, onde grande parte dos dados é digital, sendo representados por bits, o processo de criptografia é basicamente feito por algoritmos que fazem o embaralhamento dos bits desses dados a partir de uma determinada chave ou par de chaves, dependendo do sistema criptográfico escolhido. Atualmente, a criptografia é amplamente utilizada na WEB, em segurança a fim de autenticar os usuários para lhes fornecer acesso, na proteção de transações financeiras e em redes de comunicação.

Cifras e Códigos

A cifra é um ou mais algoritmos que cifram e decifram um texto. A operação do algoritmo costuma ter como parâmetro uma chave criptográfica. Tal parâmetro costuma ser secreto (conhecido somente pelos comunicantes). A cifra pode ser conhecida, mas não a chave; assim como se entende o mecanismo de uma fechadura comum, mas não se pode abrir a porta sem uma chave real.

Na linguagem não-técnica, um Código secreto é o mesmo que uma cifra. Porém, na linguagem especializada os dois conceitos são distintos. Um código funciona manipulando o significado, normalmente pela substituição simples de palavras ou frases. Uma cifra, ao contrário, trabalha na representação da mensagem (letras, grupos de letras ou, atualmente, bits).

Por exemplo, um código seria substituir a frase "Atacar imediatamente" por "Mickey Mouse". Uma cifra seria substituir essa frase por "sysvst ozrfosyszrmyr". No Dia D, por exemplo, as praias de desembarque não eram conhecidas pelo seu nome próprio, mas pelos seus códigos (Omaha, Juno, etc.).

Basicamente, códigos não envolvem chave criptográfica, apenas tabelas de substituição ou mecanismos semelhantes. Códigos podem ser então encarados como cifras cuja a chave é o próprio conhecimento do mecanismo de funcionamento da cifra.

Chave Criptográfica

Uma chave criptográfica é um valor secreto que modifica um algoritmo de encriptação. A fechadura da porta da frente da sua casa tem uma série de pinos. Cada um desses pinos possui múltiplas posições possíveis. Quando alguém põe a chave na fechadura, cada um dos pinos é movido para uma posição específica. Se as posições ditadas pela chave são as que a fechadura precisa para ser aberta, ela abre, caso contrário, não.

Visão geral: objetivos

A criptografia tem quatro objetivos principais:

confidencialidade da mensagem: só o destinatário autorizado deve ser capaz de extrair o conteúdo da mensagem da sua forma cifrada. Além disso, a obtenção de informação sobre o conteúdo da mensagem (como uma distribuição estatística de certos caracteres) não deve ser possível, uma vez que, se o for, torna mais fácil a análise criptográfica.
integridade da mensagem: o destinatário deverá ser capaz de determinar se a mensagem foi alterada durante a transmissão.
autenticação do remetente: o destinatário deverá ser capaz de identificar o remetente e verificar que foi mesmo ele quem enviou a mensagem.
não-repúdio ou irretratabilidade do emissor: não deverá ser possível ao emissor negar a autoria da mensagem.
Nem todos os sistemas ou algoritmos criptográficos são utilizados para atingir todos os objetivos listados acima. Normalmente, existem algoritmos específicos para cada uma destas funções. Mesmo em sistemas criptográficos bem concebidos, bem implementados e usados adequadamente, alguns dos objetivos acima não são práticos (ou mesmo desejáveis) em algumas circunstâncias. Por exemplo, o remetente de uma mensagem pode querer permanecer anônimo, ou o sistema pode destinar-se a um ambiente com recursos computacionais limitados.

Criptografia Clássica


Um bastão reconstruído dos gregos antigos, a Cítala era utilizada para envio de mensagens secretas
Podemos dizer que o uso da criptografia é tão antigo quanto a necessidade do homem em esconder a informação. Muitos pesquisadores atribuem o uso mais antigo da criptografia conhecido aos hieróglifos usados em monumentos do Antigo Egito (cerca de 4500 anos atrás). Diversas técnicas de ocultar mensagens foram utilizadas pelos gregos e romanos.

A criptografia pré-computacional era formada por um conjunto de métodos de substituição e transposição dos caracteres de uma mensagem que pudessem ser executados manualmente (ou até mesmo mentalmente) pelo emissor e pelo destinatário da mensagem. O surgimento de máquinas especializadas e, posteriormente, dos computadores ocasionou uma significativa evolução das técnicas criptográficas.

Criptografia Moderna


Cartão de crédito com funções de cartão inteligente, é mostrado o chip de 3x5 mm embutido no cartão. Os cartões inteligentes combinam a portabilidade o baixo custo e capacidade de correr algoritmos de encriptação.
A era da criptografia moderna começa realmente com Claude Shannon, possivelmente o pai da criptografia matemática. Em 1949 ele publicou um artigo Communication Theory of Secrecy Systems com Warren Weaver. Este artigo, junto com outros de seus trabalhos que criaram a área de Teoria da Informação estabeleceu uma base teórica sólida para a criptografia e para a criptoanálise. Depois disso, quase todo o trabalho realizado em criptografia se tornou secreto, realizado em organizações governamentais especializadas (como o NSA nos Estados Unidos). Apenas em meados de 1970 as coisas começaram a mudar.

Em 1976 aconteceram dois grandes marcos da criptografia para o público. O primeiro foi a publicação, pelo governo americano, do DES (Data Encryption Standard), um algoritmo aberto de criptografia simétrica, selecionado pela NIST em um concurso onde foi escolhido uma variante do algoritmo Lucifer, proposto pela IBM. O DES foi o primeiro algoritmo de criptografia disponibilizado abertamente ao mercado.

O segundo foi a publicação do artigo New Directions in Cryptography por Whitfield Diffie e Martin Hellman, que iniciou a pesquisa em sistemas de criptografia de chave pública. Este algoritmo ficou conhecido como "algoritmo Diffie-Hellman para troca de chaves" e levou ao imediato surgimento de pesquisas neste campo, que culminou com a criação do algoritmo RSA, por Ronald Rivest, Adi Shamir e Leonard Adleman.

Criptografia Quântica

Desenvolvimento da técnica reunindo o conceito de criptografia e a teoria quântica é mais antigo do que se imagina, sendo anterior à descoberta da criptografia de Chave Pública. Stephen Wiesner escreveu um artigo por volta de 1970 com o título: "Conjugate Coding" que permaneceu sem ser publicado até o ano de 1983. Em seu artigo, Wiesner explica como a teoria quântica pode ser usada para unir duas mensagens em uma única transmissão quântica na qual o receptor poderia decodificar cada uma das mensagens porém nunca as duas simultaneamente, pela impossibilidade de violar uma lei da natureza (o princípio de incerteza de Heisenberg).7

Utilizando-se pares de fótons, a criptografia quântica permite que duas pessoas escolham uma chave secreta sem jamais terem se visto, trocado alguma mensagem ou mesmo algo material. A criptografia quântica oferece a possibilidade de gerar uma chave segura se o sinal é um objeto quântico, assim, o termo mais correto seria Distribuição de Chave Quântica (Quantum Key Distribution - QKD) e não Criptografia Quântica. É interessante notar que a Criptologia atual está amparada na Matemática mas com a introdução desse conceito de mensagens criptografadas por chaves quânticas a física passou a ter importância primordial no tema. O maior problema para implementação da Criptografia quântica ainda é a taxa de erros na transmissão dos fótons seja por via aérea ou fibra ótica. Os melhores resultados obtidos atualmente se dão em cabos de fibra ótica de altíssima pureza, e conseqüentemente elevadíssimo custo também, alcançando algo em torno de 70 km.

Por via aérea a distância chega a algumas centenas de metros e qualquer tentativa de se aumentar essa distância tanto em um quanto em outro método a taxa de erros se torna muito grande e inviabiliza o processo. O desenvolvimento de tecnologias que permitam o perfeito alinhamento dos polarizadores, fibras óticas melhores e amplificadores quânticos de sinais permitirá que o sistema de Distribuição de Chaves Quânticas venha a ser o novo padrão de segurança de dados.

A Criptografia Quântica se destaca em relação aos outros métodos criptográficos pois não necessita do segredo nem do contato prévio entre as partes, permite a detecção de intrusos tentando interceptar o envio das chaves, e é incondicionalmente segura mesmo que o intruso tenha poder computacional ilimitado. A única forma possível de falha no processo seria se utilizar de um ardil onde a comunicação fosse interceptada e substituída, tanto para o emissor quanto para o receptor, criando assim um canal de comunicação controlado pelo intruso. O processo ainda apresenta um elevado custo de implantação, mas o desenvolvimento tecnológico poderá torná-la acessível a todas as aplicações militares, comerciais e de fins civis em geral.

Gestão de direitos digitais

A criptografia é central no tema de gestão de direitos digitais (DRM), um grupo de técnicas para controlar e restringir tecnologicamente o uso de direitos autorais e suas marcas registradas. Em 1998 a lei Estadounidense Millennium Copyright Act (DMCA) criminaliza toda a produção e diseminação de certas técnicas (não conhecidas ou mais tarde conhecidas) da criptogafia, especialmente aquelas que poderiam ser utilizadas para ultrapassar o DRM. Leis e códigos similares ao DRM foram desde essa altura aparecendo em vários países e regiões, incluindo a implementação Directive on the harmonisation of certain aspects of copyright and related rights in the information society na Europa. Leis com restrições similares estão a ser propostos pelos Estados membros da Organização Mundial da Propriedade Intelectual.

Alguns algoritmos e sistemas criptográficos

Funções de Hash criptográfico, ou message digest

MD5
SHA-1
RIPEMD-160
Tiger
Sistemas Free/Open Source

PGP
GPG
SSL
IPSec / Free S/WAN
Algoritmos assimétricos ou de chave pública

Curvas elípticas
Diffie-Hellman
DSA de curvas elípticas
El Gamal
RSA
Algoritmos simétricos

Máquina Enigma (Máquina alemã de rotores utilizada na 2a Guerra Mundial)
DES - Data Encryption Standard (FIPS 46-3, 1976)
RC4 (um dos algoritmos criados pelo Prof. Ron Rivest)
RC5 (também por Prof. Ron Rivest)
Blowfish (por Bruce Schneier)
IDEA - International Data Encryption Algorithm (J Massey e X Lai)
AES (também conhecido como RIJNDAEL) - Advanced Encryption Standard (FIPS 197, 2001)
RC6 (Ron Rivest)
Referências

↑ Fiarresga, Victor Manuel Calhabrês; Jorge Nuno Oliveira e Silva (2010). Criptografia e Matemática. Repositório aberto da Universidade de Lisboa Teses de mestrado. Página visitada em 17 de Junho de 2012.
↑ Knudsen, Jonathan. Java Cryptography. Beijing: O´Reilly, 1998. 344 p. ISBN 1-56592-402-9
↑ Alecrim, Emerson (2010). Criptografia. InfoWester Propagando Conhecimento. Página visitada em 17 de Junho de 2012.
↑ Young, Adam L.; Yung, Moti. Malicious Cryptography: Exposing Cryptovirology. Indianapolis: Addison-Wesley, 2004. 392 p. ISBN 0-7645-4975-8
↑ Gaines, Hele Fouché. Cryptanalysis. New York: Dover Publications, 1956. 237 p.
↑ Solomon, David. Coding for Data and Computer Communications. Northridge, California: Springer, 2005. 548 p. ISBN 0-387-21245-0
↑ Introdução à criptografia quântica (PDF). Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 27, n. 4, p. 517 - 526, (2005). Página visitada em 10 de fevereiro de 2009.

Bibliografia

Hook, David. Beginning Cryptography with Java. Indianapolis: Wrox, 2005. 448 p. ISBN 0-7645-9633-0
Schneier, Bruce. Applied Cryptography. New York: John Wiley and Sons, 1996. 758 p. ISBN 0-471-11709-9
Viktoria Tkotz, Criptografia -Segredos Embalados para Viagem. Novatec Editora. ISBN 85-7522-071-3.