Primeros pasos con la criptografía

Introducción

La criptografía es la ciencia del uso de construcciones matemáticas (códigos) para hacer que la comunicación sea segura. El campo de la criptografía es un subconjunto del campo de la Seguridad de la Información.

Hay muchas operaciones criptográficas posibles; algunos ejemplos más conocidos son:

  • Cifrado: transformar un mensaje de texto sin formato en un mensaje de texto cifrado para que el mensaje permanezca confidencial
  • Descifrado: transformar un mensaje de texto cifrado en un mensaje de texto sin formato
  • Hashing seguro: realiza una compresión irreversible (unidireccional) para crear una representación de tamaño estático y computacionalmente distinta para un mensaje específico.

La criptografía se basa en las matemáticas y la aritmética se usa con frecuencia en algoritmos relacionados con la criptografía. Hay un pequeño subconjunto de primitivas, esquemas y protocolos que utilizan los desarrolladores. Los desarrolladores generalmente no implementan los algoritmos por sí mismos, sino que utilizan los esquemas y protocolos proporcionados por las API criptográficas y los tiempos de ejecución.

Un primitivo podría ser un cifrado de bloque como AES. Una primitiva es cualquier algoritmo que se utiliza como bloque de construcción para un esquema criptográfico. Un esquema es, por ejemplo, un modo de operación de cifrado de bloque como CBC o GCM. Uno o más esquemas criptográficos pueden formar un protocolo criptográfico. Un protocolo como TLS utiliza muchos esquemas criptográficos, pero también técnicas de codificación/descodificación de mensajes, ordenación de mensajes, condiciones de uso, etc. Las API criptográficas de bajo nivel solo brindan acceso directo a las primitivas, mientras que las API de alto nivel pueden ofrecer acceso al protocolo completo. implementaciones.

Los mensajes se cifran y descifran a mano desde que se inventó la palabra escrita. Los dispositivos mecánicos se han utilizado al menos desde la antigua sociedad griega. Este tipo de criptografía se conoce como criptografía clásica. Muchas introducciones a la criptografía comienzan con la criptografía clásica, ya que es relativamente fácil de analizar. Sin embargo, los algoritmos clásicos no se adhieren a la seguridad requerida de las construcciones modernas y, a menudo, son fáciles de romper. Ejemplos de esquemas clásicos son el Caesar y el Vigenère. El dispositivo mecánico más conocido es, sin duda, la máquina codificadora Enigma.

La criptografía moderna se basa en la ciencia, principalmente matemáticas y teoría de números/grupos. Implica algoritmos y tamaños de clave mucho más complejos. Estos solo pueden ser manejados de manera eficiente por dispositivos informáticos. Por esta razón, la criptografía moderna utiliza principalmente entradas y salidas orientadas a bytes. Esto significa que los mensajes deben convertirse a binario y viceversa antes de que puedan ser transformados por cualquier implementación de un algoritmo criptográfico. Esto significa que los mensajes (textuales) deben transformarse mediante la codificación de caracteres antes de cifrarse.

Las formas de codificación de caracteres de los mensajes de texto son UTF-8. Los mensajes estructurados se pueden codificar utilizando ASN.1/DER o representaciones XML canónicas, o cualquier cantidad de técnicas propietarias. A veces, la salida binaria también debe volver a transformarse en texto. En este caso, se puede usar un esquema de codificación como base 64 o hexadecimales para representar los datos binarios dentro del texto.

La criptografía es notoriamente difícil de hacer bien. Los desarrolladores solo deben usar construcciones que entiendan completamente. Si es posible, un desarrollador debe usar un protocolo de nivel superior, como TLS, para crear seguridad en el transporte. No hay ninguna posibilidad práctica de crear un algoritmo, esquema o protocolo seguro sin una educación formal o una amplia experiencia. No es probable que copiar/pegar ejemplos de Internet conduzca a soluciones seguras e incluso puede provocar la pérdida de datos.

Integridad validada - Clave simétrica - Ejemplo de cifrado y descifrado usando Java

El cifrado se utiliza para transformar los datos en su formato original (p. ej., el contenido de una carta, las credenciales que forman parte de la autorización de una transacción financiera) en algo que nadie que no esté destinado a formar parte de la conversación no pueda reconstruir fácilmente.

Básicamente, la encriptación se usa para evitar escuchas ilegales entre dos entidades (individuos o un grupo).

En caso de encriptación simétrica, tanto el emisor como el receptor (Ej: Alice, Bob) deben usar el mismo algoritmo de encriptación (generalmente uno estandarizado) y la misma clave de encriptación (conocida solo por ellos dos).

http://docs.oracle.com/javase/1.5.0/docs/guide/security/jce/JCERefGuide.html#Ejemplos

Enlaces relacionados

  • https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_cryptography
  • https://en.wikipedia.org/wiki/Cryptography
package com.example.so.documentation.cryptography;

import java.nio.charset.Charset;
import java.security.InvalidAlgorithmParameterException;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.spec.AlgorithmParameterSpec;
import java.util.StringTokenizer;

import javax.crypto.BadPaddingException;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.IllegalBlockSizeException;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.NoSuchPaddingException;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import javax.xml.bind.DatatypeConverter;


/**
 * 
 * <p> Encryption is used to transform data in its orignal format (Eg: The contents of a letter, Credentials part of authorizing a financial transaction) to something that 
 * cannot be easily reconstructed by anyone who is not intended to be part of the conversation.  </p>
 * <p> Basically encryption is used to prevent eavesdropping between any two entities 
 * (individuals or a group). </p> 
 * 
 * <p> In case of symmetric encryption, both the sender and receiver (Eg: Alice, Bob) must use the same encryption algorithm (generally a standardised one) 
 * and the same encryption key (known only to the two of them). </p>
 * 
 * <p> http://docs.oracle.com/javase/1.5.0/docs/guide/security/jce/JCERefGuide.html#Examples </p>
 * 
 * <p> Related Links </p>
 * <ul>
 *     <li>https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_cryptography</li>
 *     <li>https://en.wikipedia.org/wiki/Cryptography</li>
 * </ul>
 * 
 * <pre>
 *         ChangeLog : 2016-09-24
 *         1. The modified encrypted text is now reflected correctly in the log and also updated same in javadoc comment.
 * </pre>
 * @author Ravindra HV (with inputs w.r.t integrity check from ArtjomB[http://stackoverflow.com/users/1816580/artjom-b])
 * @since (30 July 2016)
 * @version 0.3
 *
 */
public class IntegrityValidatedSymmetricCipherExample {
    
    /**
     * <p>https://en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Encryption_Standard</p>
     */
    private static final String SYMMETRIC_ENCRYPTION_ALGORITHM_NAME = "AES"; // The current standard encryption algorithm (as of writing)
    
    /**
     * <p>Higher the number, the better</p>
     * <p>Encryption is performed on chunks of data defined by the key size</p>
     * <p>Higher key sizes may require modification to the JDK (Unlimited Strength Cryptography)</p>
     *         
     */
    private static final int SYMMETRIC_ENCRYPTION_KEY_SIZE = 128; // lengths can be 128, 192 and 256
    
    /**
     * <p> 
     *         A transformation defines in what manner the encryption should be performed.
     * </p>
     * <p>
            Eg: Whether there is any link between two chunks of encrypted data (CBC) or what should happen 
     *         if there is a mismatch between the key-size and the data length.       * 
     * </p>
     * 
     * <p> https://en.wikipedia.org/wiki/Block_cipher_mode_of_operation </p>
     */
    private static final String SYMMETRIC_ENCRYPTION_TRANSFORMATION = "AES/CBC/PKCS5Padding";
    private static final Charset CHARSET_INSTANCE_UTF8 = Charset.forName("UTF-8");
    
    
    private static final int AES_IV_KEY_SIZE = 128; // for AES, iv key size is fixed at 128 independent of key-size
    
    private static final String MAC_ALGORITHM_NAME__HMAC_SHA256 = "HmacSHA256";
    private static final String HASH_FIELDS_SEPARATOR = "|" ;
    
    
    

    /**
     * @param args
     * <p>Sample output.</p>
     * <pre>
Encrypted, Base64 encoded text :W1DePjeYMlI6xmyq9jr+cw==|55F80F4C2987CC143C69563025FACE22|GLR3T8GdcocpsTM1qSXp5jLsNx6QRK880BtgnV1jFg0=
Decrypted text :helloworld
Encrypted, Base64 encoded text - v2:1XX/A9BO1Cp8mK+SHh9iHA==|B8294AC9967BB57D714ACCB3EE5710BD|TnjdaWbvp+H6yCbAAQFMkWNixeW8VwmW48YlKA/AAyw=
Decrypted text  - v2:helloworld
Encrypted, Base64 encoded text - v3 (original):EU4+rAZ2vOKtoSDiDPcO+A==|AEEB8DD341D8D9CD2EDFA05A4595EBD2|7anESSSJf1dHobS5tDdQ1mCNkFcIgCvtNC/p79xJi5U=
Encrypted, Base64 encoded text - v3 (modified):FU4+rAZ2vOKtoSDiDPcO+A==|AEEB8DD341D8D9CD2EDFA05A4595EBD2|7anESSSJf1dHobS5tDdQ1mCNkFcIgCvtNC/p79xJi5U=
Error : Integrity check failed
Exception in thread "main" java.lang.RuntimeException: Error : Integrity check failed
    at com.example.so.documentation.cryptography.IntegrityValidatedSymmetricCipherExampleThree.decrypt(IntegrityValidatedSymmetricCipherExampleThree.java:165)
    at com.example.so.documentation.cryptography.IntegrityValidatedSymmetricCipherExampleThree.main(IntegrityValidatedSymmetricCipherExampleThree.java:126)
     * </pre>
     */
    public static void main(String[] args) {
        
        /*
         * EncryptionKey : Shared secret between receiver and sender (who generates the password and how its shared depends on the purpose)
         * This program generates a new one every time its run ! 
         * Normally it would be generated once and then be stored somewhere (Eg: In a JCEKS keystore file).
         */
        byte[] generatedSharedSecret = secretKeyGeneratorUtility();
        byte[] generatedSharedHMACKey = secretKeyGeneratorUtility();
        String plainText = "helloworld";
        
        String encryptedText = encrypt(plainText, generatedSharedSecret, generatedSharedHMACKey);
        System.out.println("Encrypted, Base64 encoded text :"+encryptedText);
        String decryptedText = decrypt(encryptedText, generatedSharedSecret, generatedSharedHMACKey);
        System.out.println("Decrypted text :"+decryptedText);
        
        String encryptedTextTwo = encrypt(plainText, generatedSharedSecret, generatedSharedHMACKey);
        System.out.println("Encrypted, Base64 encoded text - v2:"+encryptedTextTwo);
        String decryptedTextTwo = decrypt(encryptedTextTwo, generatedSharedSecret, generatedSharedHMACKey);
        System.out.println("Decrypted text  - v2:"+decryptedTextTwo);
        
        String encryptedTextThree = encrypt(plainText, generatedSharedSecret, generatedSharedHMACKey);
        System.out.println("Encrypted, Base64 encoded text - v3 (original):"+encryptedTextThree);
        char[] encryptedTextThreeChars = encryptedTextThree.toCharArray();
        encryptedTextThreeChars[0] = (char) ((encryptedTextThreeChars[0])+1);
        String encryptedTextThreeModified = new String(encryptedTextThreeChars);
        System.out.println("Encrypted, Base64 encoded text - v3 (modified):"+encryptedTextThreeModified);
        
        String decryptedTextThree = decrypt(encryptedTextThreeModified, generatedSharedSecret, generatedSharedHMACKey);
        System.out.println("Decrypted text  - v3:"+decryptedTextThree);

    }
    
    
    public static String encrypt(String plainText, byte[] key, byte[] hmacKey) {
        
        byte[] plainDataBytes = plainText.getBytes(CHARSET_INSTANCE_UTF8);
        byte[] iv = initializationVectorGeneratorUtility();
        byte[] encryptedDataBytes = encrypt(plainDataBytes, key, iv);
        
        String initializationVectorHex = DatatypeConverter.printHexBinary(iv);
        String encryptedBase64EncodedString = DatatypeConverter.printBase64Binary(encryptedDataBytes); // Generally the encrypted data is encoded in Base64 or hexadecimal encoding for ease of handling.
        String hashInputString = encryptedBase64EncodedString + HASH_FIELDS_SEPARATOR + initializationVectorHex + HASH_FIELDS_SEPARATOR;
        String hashedOutputString =  DatatypeConverter.printBase64Binary(messageHashWithKey(hmacKey, hashInputString.getBytes(CHARSET_INSTANCE_UTF8)));
        String encryptionResult = hashInputString + hashedOutputString;  
        return encryptionResult;
    }
    
    public static byte[] encrypt(byte[] plainDataBytes, byte[] key, byte[] iv) {
        byte[] encryptedDataBytes = encryptOrDecrypt(plainDataBytes, key, iv, true);
        return encryptedDataBytes;
    }

    
    public static String decrypt(String cipherInput, byte[] key, byte[] hmacKey) {
        StringTokenizer stringTokenizer = new StringTokenizer(cipherInput, HASH_FIELDS_SEPARATOR);
        
        String encryptedString = stringTokenizer.nextToken();
        String initializationVectorHex = stringTokenizer.nextToken();
        String hashedString = stringTokenizer.nextToken();

        String hashInputString = encryptedString + HASH_FIELDS_SEPARATOR + initializationVectorHex + HASH_FIELDS_SEPARATOR;
        String hashedOutputString =  DatatypeConverter.printBase64Binary(messageHashWithKey(hmacKey, hashInputString.getBytes(CHARSET_INSTANCE_UTF8)));

        if( hashedString.equals(hashedOutputString) == false ) {
            String message = "Error : Integrity check failed";
            System.out.println(message);
            throw new RuntimeException(message);
        }
        
        byte[] encryptedDataBytes = DatatypeConverter.parseBase64Binary(encryptedString); // The Base64 encoding must be reversed so as to reconstruct the raw bytes.
        byte[] iv = DatatypeConverter.parseHexBinary(initializationVectorHex);
        byte[] plainDataBytes = decrypt(encryptedDataBytes, key, iv);
        String plainText = new String(plainDataBytes, CHARSET_INSTANCE_UTF8);
        return plainText;
    }

    public static byte[] decrypt(byte[] encryptedDataBytes, byte[] key, byte[] iv) {
        byte[] decryptedDataBytes = encryptOrDecrypt(encryptedDataBytes, key, iv, false);
        return decryptedDataBytes;
    }
    

    public static byte[] encryptOrDecrypt(byte[] inputDataBytes, byte[] key, byte[] iv, boolean encrypt) {
        byte[] resultDataBytes = null;
        
        // Exceptions, if any, are just logged to console for this example.
        try {
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(SYMMETRIC_ENCRYPTION_TRANSFORMATION);
            SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key, SYMMETRIC_ENCRYPTION_ALGORITHM_NAME);
            AlgorithmParameterSpec algorithmParameterSpec = new IvParameterSpec(iv);
            if(encrypt) {
                cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, algorithmParameterSpec);    
            }
            else {
                cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey, algorithmParameterSpec);
            }
            
            resultDataBytes = cipher.doFinal(inputDataBytes); // In relative terms, invoking do-final in one go is fine as long as the input size is small.
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvalidKeyException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalBlockSizeException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BadPaddingException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvalidAlgorithmParameterException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        return resultDataBytes;
    }

    
    private static byte[] secretKeyGeneratorUtility() {
        byte[] keyBytes = null;
        
        try {
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(SYMMETRIC_ENCRYPTION_ALGORITHM_NAME);
            keyGenerator.init(SYMMETRIC_ENCRYPTION_KEY_SIZE);
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
            keyBytes = secretKey.getEncoded();
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        return keyBytes;
        
    }
    
    
    /**
     * <p> InitialVector : Helps in avoiding generating the same encrypted result, even when the same encryption - algorithm and key are used. </p>
     * <p> Since this is also required to be known to both sender and receiver, its either based on some convention or is part of the cipher-text transmitted.</p>  
     * <p> https://en.wikipedia.org/wiki/Initialization_vector </p>
     * @return
     */
    private static byte[] initializationVectorGeneratorUtility() {
        byte[] initialVectorResult = null;
        
        try {
            KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(SYMMETRIC_ENCRYPTION_ALGORITHM_NAME);
            keyGenerator.init(AES_IV_KEY_SIZE);
            SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
            initialVectorResult = secretKey.getEncoded();
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        return initialVectorResult;
    }
    
    
    private static byte[] messageHashWithKey(byte[] key, byte[] data) { // byte[] iv, 
        byte[] hmac = null;
        
        try {
            Mac mac = Mac.getInstance(MAC_ALGORITHM_NAME__HMAC_SHA256);
            SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(key, MAC_ALGORITHM_NAME__HMAC_SHA256);
            //AlgorithmParameterSpec algorithmParameterSpec = new IvParameterSpec(iv);
            mac.init(secretKeySpec); // algorithmParameterSpec
            hmac = mac.doFinal(data);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvalidKeyException e) {
            e.printStackTrace();
        } /*catch (InvalidAlgorithmParameterException e) {
            e.printStackTrace();
        }*/
        
        return hmac;
        
    }

}