VPN con KAME IPsec y kernel 2.6

Este tutorial pretende mostrar cómo montar una VPN (del inglés, Virtual Private Network) entre dos máquinas usando la implementación KAME IPSec disponible en la rama 2.6 del kernel de Linux. Paso a paso se configurará una VPN en modo túnel entre dos puertas de enlace usango IPSec, Racoon y una clave compartida (del inglés, Shared Secret o Shared Key). En este tutorial se ha escrito a partir de una VPN montada entre dos máquinas con Debian GNU/Linux Sarge y se ha usado Netfilter/IPtables para el filtrado.

Índice

  1. Introducción
  2. Instalación y configuración de una VPN
  3. Configuración de una VPN en modo túnel
  4. Sobre los algoritmos de cifrado y autenticación
  5. Bibliografía
  6. Historial de revisiones

Introducción

IPSec puede operar de dos maneras diferentes:

1. Modo túnel (del inglés, Tunnel mode). El propósito de este modo es establecer una comunicación segura entre dos redes remotas sobre un canal inseguro. Por ejemplo:

Red local A Comunicación no cifrada Puerta de enlace de la red A Túnel de salida
Túnel de entrada
Internet Túnel de salida
Túnel de entrada
Puerta de enlace de la red B Comunicación no cifrada Red local B
LAN A Gateway A Canales IPSec Internet Canales IPSec Gateway B LAN B

IPSec en modo túnel entre las dos puertas de enlace A y B

2. Modo transporte (del inglés, Transport mode). El propósito de este modo es establecer una comunicación segura punto a punto, entre dos hosts y sobre un canal inseguro. Por ejemplo:

Cliente Túnel de salida
Túnel de entrada
Dial-up connection Túnel de salida
Túnel de entrada
Internet Túnel de salida
Túnel de entrada
Servidor
Cliente Canales IPSec Dial-up Canales IPSec Internet Canales IPSec Servidor

IPSec en modo transporte entre un host cliente y uno servidor

Normalmente las VPNs se configuran en modo túnel.

IPsec funciona a partir de dos bases de datos:

  1. SPD (Security Policy Database, en inglés Base de datos de políticas de seguridad). Estas políticas le dicen a IPSec cuando debe o no debe actuar sobre un paquete IP.
  2. SAD (Security Association Database, en inglés Base de datos de asociaciones de seguridad). Estas asociaciones le dicen a IPSec cómo debe crear el canal entre las dos máquinas.

Una SP o política de seguridad (del inglés, Security Policy) está formada, básicamente, por lo siguientes aspectos:

En el caso de aplicarse la política ipsec sobre el paquete, deberán especificarse los siguientes datos:

Nota: si no hay una asociación de seguridad disponible, el kernel solicita una negociación de asociación de seguridad al demonio IKE (racoon).

Una asociación de seguridad (SA) está formada principalmente por los siguientes aspectos:

Nota: las asociaciones de seguridad (SA) sólo pueden usarse si están asociadas con una política, y esta asociación sólo puede establecerse si existe una política cuyas reglas tengan los mismos parámetros que la asociación de seguridad (SA). Aún así, puede haber una política de seguridad (SP) funcional sin una asociación de seguridad (SA) en uno de los dos casos siguientes:

  1. Cuando la política de seguridad (SP) tiene el tipo none o discard y no haya ninguna asociación de seguridad (SA) que usar, pues IPSec no será aplicado.
  2. Cuando la asociación de seguridad (SA) sea creada dinámicamente por el demonio IKE (racoon).

Instalación y configuración de una VPN

Antes de seguir deberemos asegurarnos de que tenemos un kernel 2.6 instalado y funcionando. Si es así, los siguientes paquetes deberían estar ya instalados:

A continuación se listan las opciones específicas del kernel que son necesarias para la VPN. Estas opciones activarán sus dependencias pero, de todos modos, se considera que el usuario ya tiene un kernel 2.6 con iptables funcionando.

Cryptographic options

Networking: Networking support: Networking options

Networking: Networking support: Networking options: Network packet filtering (replaces ipchains): IP: Netfilter Configuration

En el fichero /usr/src/linux/.config serían las siguientes opciones:

# Networking options
CONFIG_NET_KEY=y
CONFIG_INET_AH=y
CONFIG_INET_ESP=y
CONFIG_INET_IPCOMP=y
CONFIG_INET_TUNNEL=y

# IP: Netfilter Configuration
CONFIG_IP_NF_IPTABLES
CONFIG_XFRM_USER
CONFIG_IP_NF_MATCH_AH_ESP
CONFIG_IP_NF_FILTER
CONFIG_IP_NF_TARGET_MASQUERADE
  # Cryptographic options
CONFIG_CRYPTO=y
CONFIG_CRYPTO_HMAC=y
CONFIG_CRYPTO_MD5=y
CONFIG_CRYPTO_SHA1=y
CONFIG_CRYPTO_DES=y
CONFIG_CRYPTO_BLOWFISH=y
CONFIG_CRYPTO_AES_586=y
CONFIG_CRYPTO_DEFLATE=y
CONFIG_CRYPTO_CRC32C=y

Si, tras finalizar de leer el artículo, estamos seguros de que sólo vamos a usar un algoritmo de cifrado, por ejemplo Blowfish y no DES o AES, entonces obviamente el segundo no será necesario. De todos modos, el autor recomienda seleccionar todas las opciones para que cuando queramos cambiar de algoritmo no tengamos que recompilar el kernel y reiniciar la máquina.

Los paquetes necesarios para instalar y configurar una VPN con KAME IPSec sobre kernel 2.6 son los siguientes:

Nota: durante la instalación del paquete racoon elegiremos el método de configuración directo.

Asimismo, se recomienda la instalación de los siguientes paquetes:

Por lo tanto, como root, ejecutaremos:

apt-get install ipsec-tools racoon iproute iptables dnsutils tcpdump ntpdate

Con el kernel 2.4 de Linux y FreeS/WAN, la asociación del tráfico cifrado y las zonas se hacía fácil gracias a la presencia de pseudointerfaces con nombres del estilo ipsecn (p.e. ipsec0). El tráfico cifrado saliente era enviado a través de un dispositivo ipsecn mientras que el tráfico cifrado entrante llegaba desde un dispositivo ipsecn. La implementación introducida en el kernel 2.6 prescinde de estas pseudointerfaces. El tráfico saliente que va a ser cifrado y el tráfico entrante que debe ser descifrado deben compararse con las políticas en la SPD (del inglés, Security Policty Database) o de la SA (del inglés, Security Association) apropiada.

Configuración de una VPN en modo túnel

Supongamos que nos interesa que las máquinas de la subred local 192.168.0.0/24 sean capaces de comunicarse con los de la subred local 192.168.1.0/24. Ambas redes locales acceden a internet mediante sendas puertas de enlace 192.168.0.1 y 192.168.1.1, respectivamente. Las puertas de enlace tienen IPs públicas 213.96.80.51 y 80.36.214.182, respectivamente. En ambos gateways existen dos interfaces de red, una conectada a la LAN y otra a la WAN. La interfaz conectada a la red local es eth0 y la interfaz conectada al router es eth1 en ambos casos. Entonces, la topología de red es la siguiente:

Subred A Comunicación no cifrada IP local gateway A   IP pública gateway A Túnel VPN Internet Túnel VPN IP pública gateway B   IP local gateway B Comunicación no cifrada Subred B
192.168.0.0/24   192.168.0.1   213.96.80.51   Internet   80.36.214.182   192.168.1.1   192.168.1.0/24

Red A <-> Red B

Para conseguir esto necesitamos hacer dos cosas:

  1. Abrir el cortafuegos de modo que se permita establecer un túnel IPSec (permitir los protocolos ESP y AH y el puerto UDP 500)
  2. Permitir el tráfico a través del túnel.

Para permitir el tráfico por el túnel, empezaremos configurando las políticas de seguridad. Para gestionar dichas políticas, Debian cuenta con un demonio llamado setkey, manejable mediante el script /etc/init.d/setkey, el cuál ejecuta las sentencias que se encuentren en el fichero /etc/ipsec-tools.conf tras haber borrado las políticas que estén cargadas actualmente. Para una conexión de este tipo necesitaremos ocho entradas en el fichero /etc/ipsec-tools.conf del gateway A (192.168.0.1):

        spdadd 192.168.1.0/24   192.168.0.0/24   any -P in  ipsec esp/tunnel/80.36.214.182-213.96.80.51/require;
        spdadd 192.168.1.0/24   213.96.80.51/32  any -P in  ipsec esp/tunnel/80.36.214.182-213.96.80.51/require;
        spdadd 80.36.214.182/32 213.96.80.51/32  any -P in  ipsec esp/tunnel/80.36.214.182-213.96.80.51/require;
        spdadd 80.36.214.182/32 192.168.0.0/24   any -P in  ipsec esp/tunnel/80.36.214.182-213.96.80.51/require;
        spdadd 192.168.0.0/24   192.168.1.0/24   any -P out ipsec esp/tunnel/213.96.80.51-80.36.214.182/require;
        spdadd 192.168.0.0/24   80.36.214.182/32 any -P out ipsec esp/tunnel/213.96.80.51-80.36.214.182/require;
        spdadd 213.96.80.51/32  192.168.1.0/24   any -P out ipsec esp/tunnel/213.96.80.51-80.36.214.182/require;
        spdadd 213.96.80.51/32  80.36.214.182/32 any -P out ipsec esp/tunnel/213.96.80.51-80.36.214.182/require;
                

El formato de la instrucción spdadd es el siguiente (de man racoon.conf):

spdadd [-46n] src_range dst_range upperspec policy

Las cuatro primeras entradas configuran la política para el túnel de entrada, mientras que las cuatro últimas las del túnel de salida. El comando spdadd añade políticas a la base de datos de políticas de seguridad. Respectivamente, las cuatro primeras sentencias establecen que:

Y las cuatro siguientes líneas establecen el canal de salida de manera análoga:

En el gateway B, 192.168.1.1, configuraremos el mismo fichero /etc/ipsec-tools.conf pero intercambiando las entradas y las salidas (en las cuatro primeras entradas sustituiremos in por out y en las cuatro siguientes viceversa). El fichero resultante será el siguiente:

        spdadd 192.168.1.0/24   192.168.0.0/24   any -P out ipsec esp/tunnel/80.36.214.182-213.96.80.51/require;
        spdadd 192.168.1.0/24   213.96.80.51/32  any -P out ipsec esp/tunnel/80.36.214.182-213.96.80.51/require;
        spdadd 80.36.214.182/32 213.96.80.51/32  any -P out ipsec esp/tunnel/80.36.214.182-213.96.80.51/require;
        spdadd 80.36.214.182/32 192.168.0.0/24   any -P out ipsec esp/tunnel/80.36.214.182-213.96.80.51/require;
        spdadd 192.168.0.0/24   192.168.1.0/24   any -P in  ipsec esp/tunnel/213.96.80.51-80.36.214.182/require;
        spdadd 192.168.0.0/24   80.36.214.182/32 any -P in  ipsec esp/tunnel/213.96.80.51-80.36.214.182/require;
        spdadd 213.96.80.51/32  192.168.1.0/24   any -P in  ipsec esp/tunnel/213.96.80.51-80.36.214.182/require;
        spdadd 213.96.80.51/32  80.36.214.182/32 any -P in  ipsec esp/tunnel/213.96.80.51-80.36.214.182/require;
                

El siguiente paso es configurar el demonio IKE Racoon. Empezaremos por configurar la clave compartida entre hosts, editando el fichero /etc/racoon/psk.txt en ambos gateways, de modo que quede como el siguiente:

    213.96.80.51     shared_key
    80.36.214.182    shared_key

Donde shared_key es una cadena de veinte caracteres ASCII aleatorios que podemos generar con el siguiente comando:

    $ dd if=/dev/random count=20 bs=1 | xxd -ps

Nota: el comando xxd es parte del paquete vim.

Nota: shared_key debe tener el mismo valor en ambas líneas.

El siguiente paso es configurar el fichero de configuración del demonio ISAKMP Racoon con las direcciones de ambos extremos del túnel y las asociaciones de seguridad. Racoon negocia las asociaciones de seguridad por si mismo (SA de ISAKMP o SA de fase 1) y para el IPSec del kernel (SA de IPSec o SA de fase 2). El fichero está formado por una secuencia de directivas y sentencias. Cada directiva se compone de una etiqueta y las sentencias están enmarcadas entre llaves '{' y '}'. Las líneas que empiezan con '#' son comentarios. En la puerta de enlace A, 192.168.0.1, el fichero /etc/racoon/racoon.conf quedaría tal que éste:

    path pre_shared_key "/etc/racoon/psk.txt";
    log notify;

    listen
    {
        isakmp 213.96.80.51;
        strict_address;
    }

    remote 80.36.214.182
    {
        exchange_mode main;
        send_cr off;
        send_cert off;
        proposal {
            encryption_algorithm blowfish;
            hash_algorithm sha1;
            authentication_method pre_shared_key;
            dh_group 2;
        }
    }

    sainfo address 192.168.0.0/24 any address 192.168.1.0/24 any
    {
        pfs_group 2;
        encryption_algorithm blowfish;
        authentication_algorithm hmac_sha1, hmac_md5;
        compression_algorithm deflate;
    }

    sainfo address 213.96.80.51/32 any address 192.168.1.0/24 any
    {
        pfs_group 2;
        encryption_algorithm blowfish;
        authentication_algorithm hmac_sha1, hmac_md5;
        compression_algorithm deflate;
    }

    sainfo address 213.96.80.51/32 any address 80.36.214.182/32 any
    {
        pfs_group 2;
        encryption_algorithm blowfish;
        authentication_algorithm hmac_sha1, hmac_md5;
        compression_algorithm deflate;
    }

    sainfo address 192.168.0.0/24 any address 80.36.214.182/32 any
    {
        pfs_group 2;
        encryption_algorithm blowfish;
        authentication_algorithm hmac_sha1, hmac_md5;
        compression_algorithm deflate;
    }

A continuación se explica el propósito de las directivas y sentencias más relevantes de las usadas en el fichero de configuración anterior. De ámbito general destacan estas dos directivas:

De la directiva listen destacan las siguientes sentencias:

De la directiva remote destacan las siguientes sentencias:

De la directiva sainfo se usan las siguientes sentencias:

Por lo tanto, mediante las cuatro directivas sainfo que se configuran en este fichero /etc/racoon/racoon.conf del gateway A, definimos cuatro asociaciones de seguridad para las conexiones salientes que se establecerán desde este host. Respectivamente:

El fichero /etc/racoon/racoon.conf del gateway B (192.168.1.1/80.36.214.182) será muy parecido al anterior. Tan sólo debemos intercambiar las direcciones IP de las directivas remote y listen y modificar apropiadamente las directivas sainfo para que las direcciones IP sean las de origen de la subred 192.168.1.0/24 y el host 80.36.214.182 y las de destino las de la subred 192.168.0.0/24 y la del host 213.96.80.51. El fichero resultante sería el siguiente:

    path pre_shared_key "/etc/racoon/psk.txt";
    log notify;

    listen
    {
        isakmp 80.36.214.182;
        strict_address;
    }

    remote 213.96.80.51
    {
        exchange_mode main;
        send_cr off;
        send_cert off;
        proposal {
            encryption_algorithm blowfish;
            hash_algorithm sha1;
            authentication_method pre_shared_key;
            dh_group 2;
        }
    }
    sainfo address 192.168.1.0/24 any address 192.168.0.0/24 any
    {
        pfs_group 2;
        encryption_algorithm blowfish;
        authentication_algorithm hmac_sha1, hmac_md5;
        compression_algorithm deflate;
    }

    sainfo address 80.36.214.182/32 any address 192.168.0.0/24 any
    {
        pfs_group 2;
        encryption_algorithm blowfish;
        authentication_algorithm hmac_sha1, hmac_md5;
        compression_algorithm deflate;
    }

    sainfo address 80.36.214.182/32 any address 213.96.80.51/32 any
    {
        pfs_group 2;
        encryption_algorithm blowfish;
        authentication_algorithm hmac_sha1, hmac_md5;
        compression_algorithm deflate;
    }

    sainfo address 192.168.1.0/24 any address 213.96.80.51/32 any
    {
        pfs_group 2;
        encryption_algorithm blowfish;
        authentication_algorithm hmac_sha1, hmac_md5;
        compression_algorithm deflate;
    }

Antes de activar la VPN añadiremos opciones a la llamada al demonio racoon para que el log se haga en un fichero aparte y no en el syslog. Para ello modificaremos el script /etc/init.d/racoon en ambos gateways y modificaremos el valor de la variable RACOON_ARGS en la línea 27, tal que:

    RACOON_ARGS="-l /var/log/racoon.log"

De este modo podremos consultar el log en un fichero específico, /var/log/racoon.log y no se nos mezclará con el log del sistema. Tras la configuración de estos ficheros reinciaremos los demonios en ambos gateways:

    /etc/init.d/setkey restart
    /etc/init.d/racoon restart

En los logs deberían verse unas líneas tal que las siguientes:

    $ tail -f /var/log/racoon.log | colorize
    2005-05-27 16:34:15: INFO: @(#)ipsec-tools 0.5.2 (http://ipsec-tools.sourceforge.net)
    2005-05-27 16:34:15: INFO: @(#)This product linked OpenSSL 0.9.7e 25 Oct 2004 (http://www.openssl.org/)
    2005-05-27 16:34:15: INFO: 80.36.214.182[500] used as isakmp port (fd=6)
    2005-05-27 16:34:15: INFO: 80.36.214.182[500] used for NAT-T

Nota: la dirección IP 80.36.214.182 será 213.96.80.51 dependiendo de en cuál de los dos gateways miremos el log.

Nota: colorize es un programa que colorea las líneas, especialmente pensado para facilitar la lectura de logs de la manera que se está haciendo en el caso arriba expuesto. Forma parte del paquete colorize en Debian.

Una vez hecho esto, la VPN propiamente dicha aún no sé ha establecido, sino que lo hará (se negociarán las fases 1 y 2) cuando se efectúe la primera comunicación, por ejemplo un ping entre hosts. Una vez hecho esto podremos ver las líneas en el log donde se confirma que se ha establecido el túnel:

    $ ping 192.168.1.1
    PING 192.168.1.1 (192.168.1.1): 56 data bytes
    64 bytes from 192.168.1.1: icmp_seq=0 ttl=64 time=108.7 ms

    $ tail -f /var/log/racoon.log | colorize
    2005-05-27 16:35:30: INFO: respond new phase 1 negotiation: 80.36.214.182[500]<=>213.96.80.51[500]
    2005-05-27 16:35:30: INFO: begin Identity Protection mode.
    2005-05-27 16:35:30: INFO: received Vendor ID: DPD
    2005-05-27 16:35:31: INFO: ISAKMP-SA established 80.36.214.182[500]-213.96.80.51[500]  spi:cd02576d8b543669:71462f0526dab621
    2005-05-27 16:35:32: INFO: respond new phase 2 negotiation: 80.36.214.182[0]<=>213.96.80.51[0]
    2005-05-27 16:35:32: INFO: IPsec-SA established: ESP/Tunnel 213.96.80.51->80.36.214.182  spi=54491525(0x33f7985)
    2005-05-27 16:35:32: INFO: IPsec-SA established: ESP/Tunnel 80.36.214.182->213.96.80.51  spi=212724624(0xcadeb90)

Nota: la respuesta inicial al ping tardará unos segundos pues el túnel de la VPN debe establecerse primero.

Finalmente, nos interesará establecer unas reglas en los cortafuegos de ambos gateways, de modo que el túnel ser permita únicamente entre esos dos hosts. Para ello podemos usar las siguientes reglas, que podemos incluir en las que ya tengamos:

    IPTABLES=/sbin/iptables
    INT_IFACE=eth0
    EXT_IFACE=eth1
    LOCAL_SUBNET=192.168.0.0/24
    REMOTE_SUBNET=192.168.1.0/24
    VPN_SRC=213.96.80.51
    VPN_DST=80.36.214.182

    # Enable packet forwarding
    echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/accept_redirects
    echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/icmp_echo_ignore_broadcasts
    echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
    echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/ip_dynaddr
    echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/rp_filter
    echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/accept_source_route
    echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/log_martians
    echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/icmp_echo_ignore_all
    echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/icmp_ignore_bogus_error_responses

    ${IPTABLES} --table nat --append POSTROUTING --source ${LOCAL_SUBNET} \
                --destination ! ${REMOTE_SUBNET} --out-interface ${EXT_IFACE} \
                --jump MASQUERADE

    ${IPTABLES} --append INPUT --in-interface ${EXT_IFACE} --proto udp \
                --sport isakmp --dport isakmp --source ${VPN_DST} \
                --destination ${VPN_SRC} --jump ACCEPT
    ${IPTABLES} --append INPUT --in-interface ${EXT_IFACE} --proto tcp \
                --sport isakmp --dport isakmp --source ${VPN_DST} \
                --destination ${VPN_SRC} --jump ACCEPT
    ${IPTABLES} --append INPUT --in-interface ${EXT_IFACE} --proto ah \
                --source ${VPN_DST} --destination ${VPN_SRC} --jump ACCEPT
    ${IPTABLES} --append INPUT --in-interface ${EXT_IFACE} --proto esp \
                --source ${VPN_DST} --destination ${VPN_SRC} --jump ACCEPT
    ${IPTABLES} --append OUTPUT --out-interface ${EXT_IFACE} --proto udp \
                --sport isakmp --dport isakmp --source ${VPN_SRC} \
                --destination ${VPN_DST} --jump ACCEPT
    ${IPTABLES} --append OUTPUT --out-interface ${EXT_IFACE} --proto tcp \
                --sport isakmp --dport isakmp --source ${VPN_SRC} \
                --destination ${VPN_DST} --jump ACCEPT
    ${IPTABLES} --append OUTPUT --out-interface ${EXT_IFACE} --proto ah \
                --source ${VPN_SRC} --destination ${VPN_DST} --jump ACCEPT
    ${IPTABLES} --append OUTPUT --out-interface ${EXT_IFACE} --proto esp \
                --source ${VPN_SRC} --destination ${VPN_DST} --jump ACCEPT

Nota: el parámetro del kernel /proc/sys/net/ipv4/conf/all/rp_filter bloquea el spoofing o engaño de direcciones IP y, debido a que ahora está deshabilitado, la comprobación deberán hacerla las propias reglas de iptables. Asimismo, estas reglas deberán aparecer debajo de las arriba escritas.

Nota: la cabecera IP de un paquete ESP no puede ser modificada por NAT (del inglés, Network Address Translation), por lo que no es posible combinar NAT con un canal IPSec (al menos directamente, pero existe NATT para ese propósito). Es decir, no debe haber NAT entre los dos gateways.

Sobre los algoritmos de cifrado y autenticación

¿Qué es la criptografía?

A medida que el campo de la criptografía ha ido avanzando, las líneas divisorias de lo que es o no criptografía se han vuelto borrosas. Hoy en día la criptografía puede considerarse como el estudio de las técnicas y aplicaciones que dependen de la existencia de problemas difíciles. El criptoanálisis es el estudio de cómo comprometer (saltarse) los mecanismos criptográficos, y la criptología (del griego, kryptós lógos, que significa palabra oculta) es la disciplina que combina la criptografía y el criptoanálisis. Para la mayoría de las personas, la criptografía hace referencia a mantener las comunicaciones privadas.

El cifrado es la transformación de los datos a una forma que sea casi imposible de leer por alguien que no tenga el conocimiento adecuado (la clave). Su propósito es asegurar la privacidad manteniendo la información oculta de cualquiera que no sea el destinatario, incluso de aquellos que tengan acceso a los datos cifrados. Descifrar es la acción opuesta a cifrar, y consiste en la transformación de los datos cifrados a una forma inteligible.

El cifrado y el descifrado generalmente requieren del uso de algún tipo de información secreta, conocida como clave. Algunos mecanismos de cifrado usan la misma clave tanto para cifrar como para descifrar, mientras que otros usan diferentes claves. Hoy en día la criptografía es más que cifrar y descifrar. La autenticación es una parte fundamental de la privacidad.

¿Qué es la criptografía de clave secreta?

La criptografía de clave secreta es conocida a veces como criptografía simétrica. Es la forma más tradicional de criptografía, en la cuál una única clave se usa tanto para cifrar como para descifrar el mensaje. La criptografía de clave secreta no sólo trata el cifrado, sino también la autenticación. Una de esas técnicas es la llamada códigos de autenticación de mensajes (MAC).

El principal problema de los criptosistemas de clave secreta es conseguir que el remitente y el destinatario se pongan de acuerdo en la clave secreta que se usará sin que nadie más la descubra. Esto requiere un método mediante el cuál ambas partes puedan comunicarse sin miedo a ser espiados. Sin embargo, la ventaja de la criptografía de clave secreta es que es generalmente más rápida que la criptografía de clave pública.

¿Qué es la criptografía de clave pública?

Para solventar el problema de la gestión de las claves en la criptografía de clave secreta, W. Diffie y M. Hellman crearon en 1976 el concepto de criptografía de clave pública. Los criptosistemas de clave pública tienen dos usos principales, el cifrado y las firmas digitales. En estos sistemas, cada persona recibe un par de claves, una llamada clave pública y la otra llamada clave privada. La clave pública es publicada, mientras que la privada se mantiene en secreto. La necesidad del remitente y el destinatario de compartir información secreta desaparece, pues todas las comunicaciones requieren únicamente las claves públicas, y nunca se transmite o comparte la clave privada. Cualquiera puede mandar un mensaje simplemente usando la información pública, pero el mensaje sólo puede descifrarse con la clave privada, que está únicamente en posesión del destinatario.

En un criptosistema de clave pública, la clave privada está siempre asociada matemáticamente a la clave pública. Por lo tanto, es posible realizar un ataque al sistema de clave pública deduciendo la clave privada de la pública. Típicamente, la defensa contra esto es conseguir que el problema de deducir la clave privada requiera la factorización de un número muy grande, algo computacionalmente intratable. Esta es la idea que hay detrás del criptosistema RSA de clave pública.

¿Qué es Diffie-Hellman?

El protocolo de acuerdo de claves Diffie-Hellman (también conocido como acuerdo de clave exponencial) fue desarrollado por Diffie y Hellman en 1976 y publicado en el sensacional documento "New Directions in Cryptography." El protocolo permite a dos usuarios intercambiar una clave secreta sobre un canal inseguro sin la necesidad de secretos previos.

El protocolo tiene dos parámetros de sistema p y g. Ambos son públicos y pueden ser usados por todos los usuarios de un sistema. El parámetro p es un número primo y el parámetro g (normalmente llamado generador) es un entero menor que p con la siguiente propiedad: para cada número n entre 1 y p-1, inclusive, hay una potencia k de g tal que n = gk mod p.

Supongamos que Alicia y José quieren acordar una clave secreta compartida usando el protocolo de acuerdo Diffie-Hellman. Procederían de la siguiente manera: Primero, Alicia genera un valor aleatorio privado a y José genera un valor aleatorio privado b. Tanto a como b son escogidos de entre los enteros. Entonces deben derivar sus valores públicos usando los parámetros p y g y sus valores privados. El valor público de Alicia es ga mod p y el de José es gb mod p. Ahora deben intercambiar sus valores públicos y, finalmente, Alicia computa gab = (gb)a mod p, y José computa gba = (ga)b mod p. Debido a que gab = gba = k, Alicia y José ahora tienen una clave secreta compartida k.

La seguridad del protocolo depende del problema del logaritmo discreto. Asume que el cálculo de la clave compartida k = gab mod p es inasequible computacionalmente dados los valores públicos ga mod p y gb mod p cuando el número primo p es suficientemente grande.

¿Qué son SHA y SHA-1?

El Secure Hash Algorithm (SHA), el algoritmo especificado en el estándar de dispersión segura o Secure Hash Standard (SHS, FIPS 180), fue desarrollado por NIST. SHA-1 es una revisión de SHA que fue publicada en 1994 y que corregía un error no publicado de SHA. Su diseño es muy similar a de la familia de algoritmos de dispersión MD4 desarrollada por Rivest. SHA-1 está también explicado en el estándar ANSI X9.30 (parte 2).

El algoritmo toma un mensaje de menos de 264 bits de longitud y produce un mensage resumido de 160 bits. El algoritmo es ligeramente más lento que MD5, pero la mayor longitud del resumen (en inglés, digest) resultante lo hace más seguro ante ataques de fuerza bruta. SHA es parte del proyecto Capstone.

¿Qué son MD2, MD4 y MD5?

MD2, MD4 y MD5 son algoritmos de resumen de mensajes desarrollados por Rivest. Su propósito son las aplicaciones de firma digital en las cuales un mensaje muy grande tiene que ser "comprimido" de manera segura antes de asignársele una clave privada. Estos tres algoritmos toman un mensaje de longitud arbitraria y producen un mensaje resumido de 128 bits. Pese a que las estructuras de estos algoritmos son considerablemente parecidas, el diseño de MD2 es bastante diferente del de MD4 y MD5. MD2 fue optimizado para máquinas de 8 bits, mientras que MD4 y MD5 está enfocado a máquinas de 32 bits. La descripción y el código fuente de estos algoritmos puede encontrarse en Internet en los RFCs 1319-1321.

MD2 fue desarrollado por Rivest en 1989. El mensaje es primero rellenado de modo que su longitud sea divisible por 16. Una verificación de 16 bytes es añadida luego al mensaje y el valor de dispersión es computado sobre el mensaje resultante. Rogier and Chauvaud han encontrado que pueden ocurrir colisiones si se omite el cálculo de la verificación. Este es el único resultado criptoanalítico conocido de MD2.

MD4 fue desarrollado por Rivest en 1990. El mensaje es rellenado primero para asegurarse que su tamaño más 64 sea divisible por 512. Una representación binaria de 64 bits de la longitud original del mensaje es concatenada entonces al mensaje. El mensaje es procesado en bloques de 512 bits según la estructura iterativa de Damgard/Merkle y cada bloque es procesado en tres ocasiones diferentes. Ataques a MD4 basados en la omisión de la primera o la tercera ronda fueron rápidamente desarrollados por Den Boer, Bosselaers y otros. Dobbertin ha demostrado como pueden ocurrir colisiones en MD4 en menos de un minuto en un PC típico. En un trabajo reciente, Dobbertin (Fast Software Encryption, 1998) ha demostrado que una versión reducida de MD4 en la cual la tercera ronda de compresión no se lleve a cabo pero el resto se deje igual es reversible. Por lo tanto, claramente MD4 puede considerarse roto.

MD5 fue desarrollado por Rivest en 1991. Es básicamente un MD4 con cinturón de seguridad y, pese a ser ligeramente más lento que MD4, es mucho más seguro. El algoritmo consiste en cuatro rondas de compresión diferentes, con leves variaciones de diseño respecto de MD4. El tamaño del mensaje comprimido, así como los requerimientos de rellenado, son los mismos. Den Boer y Bosselaers han encontrado pseudocolisiones en MD5. Un trabajo más reciente de Dobbertin ha extendido las técnicas usadas tan eficientemente en el análisis de MD4 para hallar colisiones en las funciones de compresión de MD5.

Van Oorschot y Wiener han trabajado en la búsqueda por fuerza-bruta de colisiones en las funciones de dispersión y estiman que una máquina diseñada específicamente para la búsqueda de colisiones (con un coste de 10 millones de dólares en 1994) tardaría una media de 24 días en encontrar una colisión. Las técnicas generales pueden aplicarse también a otras funciones de dispersión.

Bibliografía

Historial de revisiones

Fecha Versión Cambios
10/08/2005 1.0 Documento inicial
23/06/2006 1.0.1 Corregida la ruta del segundo y tercer grupo de opciones del kernel en el apartado "Instalación y configuración de una VPN" (Device Drivers -> Networking)