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Tema 13 Funciones Hash Curso de Seguridad Informática Material Docente de Libre Distribución Curso de Seguridad Informática © Jorge Ramió Aguirre Este.

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1 Tema 13 Funciones Hash Curso de Seguridad Informática Material Docente de Libre Distribución Curso de Seguridad Informática © Jorge Ramió Aguirre Este archivo forma parte de un curso completo sobre Seguridad Informática y Criptografía. Se autoriza su uso, reproducción en computador e impresión en papel sólo para fines docentes, respetando siempre los derechos del autor. Ultima actualización: 10/02/02 Archivo con 29 diapositivas Dr. Jorge Ramió Aguirre Universidad Politécnica de Madrid

2 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.2 Uso de las funciones hash en criptografía Una de las aplicaciones más interesantes de la criptografía, que comienza en el año 1976 cuando Diffie y Hellman presentan el modelo de cifrado asimétrico con clave pública, es la posibilidad real de incluir en un mensaje una firma digital. Con los sistemas de clave simétrica esto era inviable. No obstante, dado que los sistemas de clave pública son muy lentos, en vez de firmar digitalmente el mensaje completo, en un sistema criptográfico se incluirá como firma una operación con clave privada sobre un resumen o hash de sólo una centena de bits.

3 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.3 Funciones hash Mensaje = M Función Resumen = H(M) Firma (rúbrica): r = E dE {H(M)} ¿Cómo se comprueba la identidad en destino? Se descifra la rúbrica r con la clave pública del emisor eE. Al mensaje en claro recibido M (se descifra si viene cifrado) se le aplica la misma función hash que en emisión. Si los valores son iguales, la firma es auténtica y el mensaje íntegro: Calcula: E eE (r) = H(M) Compara: ¿H(M) = H(M)? dE es la clave privada del emisor que firmará H(M) ¿Qué seguridad nos da un resumen de k bits?

4 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.4 Propiedades de las funciones hash H(M) será segura si tiene las siguientes características: 1. Unidireccionalidad. Conocido un resumen H(M), debe ser computacionalmente imposible encontrar M a partir de dicho resumen. 2. Compresión. A partir de un mensaje de cualquier longitud, el resumen H(M) debe tener una longitud fija. Lo normal es que la longitud de H(M) sea menor. 3.Facilidad de cálculo. Debe ser fácil calcular H(M) a partir de un mensaje M. 4.Difusión. El resumen H(M) debe ser una función compleja de todos los bits del mensaje M.

5 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.5 Colisiones: resistencia débil y fuerte 5.Colisión simple. Conocido M, será computacionalmente imposible encontrar otro M tal que H(M) = H(M). Se conoce como resistencia débil a las colisiones. 6.Colisión fuerte. Será computacionalmente difícil encontrar un par (M, M) de forma que H(M) = H(M). Se conoce como resistencia fuerte a las colisiones. Ataque por la paradoja del cumpleaños Para tener confianza en encontrar dos mensajes con el mismo resumen H(M) -probabilidad 50%- no habrá que buscar en 2 n (p.e ), bastará una búsqueda en el espacio 2 n/2 (2 64 ). ¡La complejidad algorítmica se reduce de forma drástica!

6 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.6 La paradoja del cumpleaños Paradoja del cumpleaños Problema: Cuál será la confianza (probabilidad mayor que el 50%) de que en un aula con 365 personas -no se tiene en cuenta el día 29/02 de los años bisiestos- dos de ellas al azar cumplan años en la misma fecha. Solución: Se escribe en la pizarra los 365 días del año y entran al aula de uno en uno, borrando el día de su cumpleaños de la pizarra. Para alcanzar esa confianza, basta que entren 23 personas al aula, un valor muy bajo, en principio inimaginable y de allí el nombre de paradoja. Explicación: El primero en entrar tendrá una probabilidad de que su número no esté borrado igual a n/n = 1, el segundo de (n-1)/n, etc. La probabilidad p de no coincidencia será igual a p = n!/(n-k)n k. Para k = 23 se tiene p = 0,493 y entonces la probabilidad de coincidencia es 0,507. Interesante...

7 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.7 Algoritmos de resumen (compresión) MD5: Ron Rivest Mejoras al MD4 y MD2 (1990), es más lento pero con mayor nivel de seguridad. Resumen de 128 bits. SHA-1: Del NIST, National Institute of Standards and Technology, Similar a MD5 pero con resumen de 160 bits. RIPEMD: Comunidad Europea, RACE, Resumen de 160 bits. N-Hash: Nippon Telephone and Telegraph, Resumen de 128 bits. Snefru: Ralph Merkle, Resúmenes entre 128 y 256 bits. Ha sido criptoanalizado y es lento. Tiger: Ross Anderson, Eli Biham, Resúmenes de hasta 192 bits. Optimizado para máquinas de 64 bits (Alpha). Panama: John Daemen, Craig Clapp, Resúmenes de 256 bits de longitud. Trabaja en modo función hash o como cifrador de flujo. Haval: Yuliang Zheng, Josef Pieprzyk y Jennifer Seberry, Admite 15 configuraciones diferentes. Hasta 256 bits.

8 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.8 Message Digest 5, MD5 Algoritmo básico MD5 a) Un mensaje M se convierte en un bloque múltiplo de 512 bits, añadiendo bits si es necesario al final del mismo. b)Con los 128 bits de cuatro vectores iniciales de 32 bits cada uno y el primer bloque del mensaje de 512 bits, se realizan diversas operaciones lógicas entre ambos. c)La salida de esta operación (128 bits) se convierte en el nuevo conjunto de vectores; se realiza la misma función con el segundo bloque de 512 bits del mensaje... etc. d)Al terminar, el algoritmo entrega un resumen que corresponde a los últimos 128 bits de estas operaciones.

9 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.9 Etapas de MD5 a) Añadir bits para congruencia módulo 512, reservando los últimos 64 bits para un indicador. b) Añadir indicación de la longitud del mensaje con los 64 bits reservados. c) Inicializar el buffer de claves MD (vector). d) Procesar bloques de 512 bits. e) Obtener el resumen de los últimos 128 bits. Bloques funcionales de MD5 Esquema

10 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.10 Esquema de la función MD5 Mensaje K Mensaje de K bits Relleno de 1 a 448 bits K mod 2 64 (64 bits) L 512 bits = N 32 bits N palabras de 32 bits YqYq H MD5 ABCD Y1Y1 Y2Y2 512 bits Y L-1 H MD5 A 16 = B 16 = 89ABCDEF C 16 = FEDCBA98 D 16 = A 16 = B 16 = 89ABCDEF C 16 = FEDCBA98 D 16 = RESUMEN de 128 bits Primer resumen

11 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.11 Bloque principal de MD5 Bloque principal 1 er bloque de 512 bits del mensaje M Vuelta 1 Funciones F y FF Vuelta 2 Funciones G y GG Vuelta 3 Funciones H y HH Vuelta 4 Funciones I e II A B C D A B C D SUMA MÓDULO Vector inicial Nuevo Vector ABCD de 128 bits para el próximo bloque ¿Qué hacen las funciones F y FF...?

12 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.12 Esquema funciones F, G, H, I en MD5 F (x, y, z) (x AND y) OR (NOT x AND z) G (x, y, z) (x AND z) OR (y AND NOT z) H (x, y, z) x XOR y XOR z I (x, y, z) y XOR (x OR NOT z) F (x, y, z) (x AND y) OR (NOT x AND z) G (x, y, z) (x AND z) OR (y AND NOT z) H (x, y, z) x XOR y XOR z I (x, y, z) y XOR (x OR NOT z) abcd Función no Lineal Vector inicial ABCD bcd 128 bits A 16 = B 16 = 89ABCDEF C 16 = FEDCBA98 D 16 = A 16 = B 16 = 89ABCDEF C 16 = FEDCBA98 D 16 = x, y, z b, c, d F (b, c, d) (b AND c) OR (NOT b AND d) G (b, c, d) (b AND d) OR (c AND NOT d) H (b, c, d) b XOR c XOR d I (b, c, d) c XOR (b OR NOT d) F (b, c, d) (b AND c) OR (NOT b AND d) G (b, c, d) (b AND d) OR (c AND NOT d) H (b, c, d) b XOR c XOR d I (b, c, d) c XOR (b OR NOT d)

13 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.13 Algoritmo de las funciones en MD5 abcd Desplazamiento del registro Función no lineal <<< s j + MjMj tjtj + Suma mod 2 32 bcad 32 bits s j bits a la izquierda Se repite el proceso para M j+1 hasta 16 bloques del texto. En las vueltas 2, 3 y 4 se repite el proceso ahora con funciones G, H e I. El algoritmo realiza 4 16 = 64 vueltas para cada uno de los bloques de 512 bits Situación luego del desplazamiento

14 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.14 1ª Vuelta: FF(a,b,c,d,M j,t j,s) a = b + ((a + F(b,c,d) + M j + t j ) <<< s) 2ª Vuelta: GG(a,b,c,d,M j,t j,s) a = b + ((a + G(b,c,d) + M j + t j ) <<< s) 3ª Vuelta: HH(a,b,c,d,M j,t j,s) a = b + ((a + H(b,c,d) + M j + t j ) <<< s) 4ª Vuelta: II(a,b,c,d,M j,t j,s) a = b + ((a + I(b,c,d) + M j + t j ) <<< s) abcd Vector de 128 bits Funciones no lineales en MD5 Funciones no lineales en cada vuelta

15 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.15 abcd Vector de 128 bits Sea f la función F, G, H o I según la vuelta. El algoritmo será: Para j = 0 hasta 15 hacer: TEMP = [(a + f(b,c,d) + M j + t j ) <<

16 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.16 FF (a, b, c, d, M j, t j, s) FF(a, b, c, d, M 0, D76AA478, 7) FF(d, a, b, c, M 1, E8C7B756, 12) FF(c, d, a, b, M 2, DB, 17) FF(b, c, d, a, M 3, C1BDCEEE, 22) FF(a, b, c, d, M 4, F57C0FAF, 7) FF(d, a, b, c, M 5, 4787C62A, 12) FF(c, d, a, b, M 6, A , 17) FF(b, c, d, a, M 7, FD469501, 22) FF(a, b, c, d, M 8, D8, 7) FF(d, a, b, c, M 9, 8B44F7AF, 12) FF(c, d, a, b, M 10, FFFF5BB1, 17) FF(b, c, d, a, M 11, 895CD7BE, 22) FF(a, b, c, d, M 12, 6B901122, 7) FF(d, a, b, c, M 13, FD987193, 12) FF(c, d, a, b, M 14, A679438E, 17) FF(b, c, d, a, M 15, 49B40821, 22) Primera vuelta GG (a, b, c, d, M j, t j, s) GG(a, b, c, d, M 1, F61E2562, 5) GG(d, a, b, c, M 6, C040B340, 9) GG(c, d, a, b, M 11, 265E5A51, 14) GG(b, c, d, a, M 0, E9B6C7AA, 20) GG(a, b, c, d, M 5, D62F105D, 5) GG(d, a, b, c, M 10, , 9) GG(c, d, a, b, M 15, D8A1E681, 14) GG(b, c, d, a, M 4, E7D3FBC8, 20) GG(a, b, c, d, M 9, 21E1CDE6, 5) GG(d, a, b, c, M 14, C33707D6, 9) GG(c, d, a, b, M 3, F4D50D87, 14) GG(b, c, d, a, M 8, 455A14ED, 20) GG(a, b, c, d, M 13, A9E3E905, 5) GG(d, a, b, c, M 2, FCEFA3F8, 9) GG(c, d, a, b, M 7, 676F02D9, 14) GG(b, c, d, a, M 12, 8D2A4C8A, 20) Segunda vuelta Operaciones en 1ª y 2ª vueltas en MD5

17 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.17 HH (a, b, c, d, M j, t j, s) HH(a, b, c, d, M 5, FFFA3942, 4) HH(d, a, b, c, M 8, 8771F681, 11) HH(c, d, a, b, M 11, 6D9D6122, 16) HH(b, c, d, a, M 14, FDE5380C, 23) HH(a, b, c, d, M 1, A4BEEA44, 4) HH(d, a, b, c, M 4, 4BDECFA9, 11) HH(c, d, a, b, M 7, F6BB4B60, 16) HH(b, c, d, a, M 10, BEBFBC70, 23) HH(a, b, c, d, M 13, 289B7EC6, 4) HH(d, a, b, c, M 0, EAA127FA, 11) HH(c, d, a, b, M 3, D4EF3085, 16) HH(b, c, d, a, M 6, 04881D05, 23) HH(a, b, c, d, M 9, D9D4D039, 4) HH(d, a, b, c, M 12, E6DB99E5, 11) HH(c, d, a, b, M 15, 1FA27CF8, 16) HH(b, c, d, a, M 2, C4AC5665, 23) Tercera vuelta II (a, b, c, d, M j, t j, s) II(a, b, c, d, M 0, F , 6) II(d, a, b, c, M 7, 411AFF97, 10) II(c, d, a, b, M 14, AB9423A7, 15) II(b, c, d, a, M 5, FC93A039, 21) II(a, b, c, d, M 12, 655B59C3, 6) II(d, a, b, c, M 3, 8F0CCC92, 10) II(c, d, a, b, M 10, FFEFF47D, 15) II(b, c, d, a, M 1, 85845DD1, 21) II(a, b, c, d, M 8, 6FA87E4F, 6) II(d, a, b, c, M 15, FE2CE6E0, 10) II(c, d, a, b, M 6, A , 15) II(b, c, d, a, M 13, 4E0811A1, 21) II(a, b, c, d, M 4, F7537E82, 6) II(d, a, b, c, M 11, BD3AF235, 10) II(c, d, a, b, M 2, 2AD7D2BB, 15) II(b, c, d, a, M 9, EB86D391, 21) Cuarta vuelta Operaciones en 3ª y 4ª vueltas en MD5

18 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.18 Un resumen de 128 bits tiene una complejidad algorítmica de sólo 2 64, un valor en la actualidad muy comprometido... La función SHA-1, Secure Hash Algorithm, entregará un resumen de 160 bits una complejidad algorítmica de Vector Inicial : A = B = EFCDAB89 C = 98BADCFE D = E = C3D2E1F0 SHA-1 Algoritmo: Es muy similar a MD5. El vector inicial tiene una palabra más de 32 bits (E) por lo que el resumen será de 160 bits. A cada bloque de 512 bits del mensaje se le aplicarán 80 vueltas. Esta forma de tomar los bits se verá más adelante Función de resumen SHA-1

19 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.19 Después de esta última operación, se produce el desplazamiento del registro hacia la derecha Función no lineal <<< 30 WtWt KtKt Vector inicial ABCDE Registro de 160 bits 32 bits A 16 = B 16 = EFCDAB89 C 16 = 98BADCFE D 16 = E 16 = C3D2E1F0 A 16 = B 16 = EFCDAB89 C 16 = 98BADCFE D 16 = E 16 = C3D2E1F0 abcdecdb + <<< 5 Suma mod Véase la próxima diapositiva... Bloques del texto a partir del bloque de 16 palabras Una constante en cada una de las cuatro vueltas Esquema del resumen SHA-1

20 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.20 abcde Desplazamiento del registro Se repite el proceso con la función F para las restantes 15 palabras de 32 bits del bloque actual hasta llegar a 20. En vueltas 2, 3 y 4 se repite el proceso con funciones G, H e I. F (b, c, d) vueltas t = 0 a 19 (b AND c) OR ((NOT b) AND d) G (b, c, d) vueltas t = 20 a 39 b XOR c XOR d H (b, c, d) vueltas t = 40 a 59 (b AND c) OR (b AND d) OR (c AND d) I (b, c, d) vueltas t = 60 a 79 b XOR c XOR d F (b, c, d) vueltas t = 0 a 19 (b AND c) OR ((NOT b) AND d) G (b, c, d) vueltas t = 20 a 39 b XOR c XOR d H (b, c, d) vueltas t = 40 a 59 (b AND c) OR (b AND d) OR (c AND d) I (b, c, d) vueltas t = 60 a 79 b XOR c XOR d ebcd Tenemos 4 20 = 80 pasos por cada bloque de 512 bits. Pero... ¿cómo es posible repetir 80 veces un bloque que sólo cuenta con 16 bloques de texto de 32 bits cada uno? a Vueltas en funciones F,G, H e I de SHA-1

21 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.21 Cada bloque de 16 palabras del mensaje (M 0... M 15 ) se expandirá en 80 palabras (W 0... W 79 ) según el algoritmo: W t = M t (para t = 0,..., 15) W t = (W t-3 W t-8 W t-14 W t-16 ) <<<1 (para t = 16,..., 79) y además:K t = 5A para t = 0,..., 19 K t = 6ED9EBA1 para t = 20,..., 39 K t = 8F1BBCDC para t = 40,..., 59 K t = CA62C1D6 para t = 60,..., 79 Vector de 160 bits abcde Las 80 vueltas de SHA-1

22 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.22 El algoritmo para cada bloque de 512 bits será: Para t = 0 hasta 79 hacer: TEMP = (a <<<5) + f t (b,c,d) + e + W t + K t a = e e = d d = c c = b <<<30 b = a a = TEMP Algoritmo y desplazamiento en SHA-1 Vector de 160 bits abcde

23 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.23 SHA-1 genera una salida de 160 bits de longitud mientras que MD5 genera sólo 128 bits. –La dificultad de generar un mensaje que tenga un resumen dado es del orden de operaciones para MD5 y para SHA-1. –La dificultad de generar dos mensajes aleatorios distintos y que tengan el mismo resumen (ataques basados en paradoja del cumpleaños) es del orden de 2 64 operaciones para MD5 y 2 80 para SHA-1. Esta diferencia de 16 bits a favor de SHA-1 lo convierte en más seguro y resistente a ataques por fuerza bruta que el algoritmo MD5. Comparativa entre MD5 y SHA-1

24 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.24 SHA-1 realiza un mayor número de pasos que MD5 (80 frente a los 64 que realiza MD5). SHA-1 debe procesar 160 bits de buffer en comparación con los 128 bits de MD5. Por estos motivos la ejecución del algoritmo SHA-1 es más lenta que la de MD5 bajo el mismo hardware. Ejemplos de tiempos de ejecución Ambos algoritmos procesan bloques de 512 bits y emplean 4 funciones primitivas para generar el resumen del mensaje... pero Operaciones en MD5 y en SHA-1

25 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.25 Tiempos obtenidos con un Pentium a 90 MHz: Lenguaje CLenguaje Ensamblador 21,246,5SHA-1 59,7113,5MD5 Rendimiento (Mbits / Seg) Lenguaje C++ 14,4SHA-1 32,4MD5 Tiempos obtenidos con un Pentium a 266 MHz: Tiempos de ejecución MD5 v/s SHA-1

26 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.26 La longitud máxima del mensaje para SHA-1 debe ser menor de 2 64 bits, mientras que MD5 no tiene limitaciones de longitud. MD5 emplea 64 constantes (una por cada paso), mientras que SHA-1 sólo emplea 4 (una para cada 20 pasos). MD5 se basa en la arquitectura little-endian, mientras que SHA-1 se basa en la arquitectura big-endian. Por ello el vector ABCD inicial en MD5 y SHA-1 son iguales: –A = (MD5) (SHA-1) –B = 89ABCDEF (MD5) EFCDAB89 (SHA-1) –D = FEDCBA98 (MD5) 98BADCFE (SHA-1) –E = (MD5) (SHA-1) Más diferencias entre MD5 y SHA-1

27 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.27 Arquitectura little-endian: Esta es la arquitectura empleada en procesadores Intel de la familia 80xxx y Pentium. Para almacenar una palabra en memoria, el byte menos significativo de los que forman dicha palabra se guarda en la posición más baja de la memoria. Arquitectura big-endian: Empleada por otras arquitecturas como SUN. Para almacenar una palabra en memoria, el byte más significativo de los que forman dicha palabra se guarda en la posición más baja de memoria. Ejemplo Arquitecturas little-endian v/s big-endian

28 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.28 Supongamos que queremos almacenar en memoria la siguiente palabra de 32 bits (4 bytes) representada en hexadecimal: En formato little-endian se representa: En formato big-endian se representa: Si consideramos que las posiciones de memoria más bajas se encuentran a la izquierda y las más altas a la derecha: Ejemplo little-endian v/s big-endian

29 © Jorge Ramió Aguirre Madrid (España) 2002 Curso de Seguridad Informática. Tema 13: Funciones Hash.29 Las funciones hash vistas (MD5, SHA-1, etc.) pueden usarse además para autenticar a dos usuarios. Como carecen de una clave privada no pueden usarse de forma directa para estos propósitos. No obstante, existen algoritmos que permiten esta función. Entre ellos está HMAC, una función que usando los hash vistos y una clave secreta, autentica a dos usuarios mediante sistemas de clave secreta. Las funciones MAC, Message Authentication Code, se verán en el próximo capítulo. HMAC se usa en plataformas IP seguras y en Secure Socket Layer, SSL. Funciones hash para la autenticación Fin del Tema 13


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