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Libreta de un solo uso para niños

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En el mundo de la criptografía, que es el arte de escribir mensajes secretos, existe un método muy especial llamado libreta de uso único. También se le conoce como libreta de un solo uso o one-time pad en inglés. Fue inventado en 1917.

Este método funciona combinando tu mensaje original (llamado "texto en claro") con una clave secreta. Esta clave es como una "libreta" de números o letras que es tan larga como tu mensaje y, lo más importante, ¡solo se usa una vez! Si la clave es completamente aleatoria, nunca se repite y se mantiene en secreto, este método es imposible de descifrar.

El nombre "libreta" viene de cómo se usaba al principio. La clave se entregaba en pequeñas libretas de papel. Después de usar una página para cifrar o descifrar un mensaje, esa página se rompía y se destruía. Esto aseguraba que la clave no se usara de nuevo y que nadie más pudiera verla. A veces, estas libretas eran muy pequeñas para poder esconderlas fácilmente.

El cifrado de Vernam es un tipo de libreta de uso único. Fue creado por Gilbert Vernam. Su sistema original usaba una clave que se leía de una cinta de papel. Al principio, esta clave podía reutilizarse, lo que no lo hacía totalmente seguro. Más tarde, Joseph Mauborgne se dio cuenta de que si la clave era completamente aleatoria y se usaba solo una vez, el sistema sería mucho más difícil de romper.

¿Por qué es tan secreta la libreta de uso único?

Al principio, se sabía que la libreta de uso único era muy difícil de romper. Pero fue Claude Shannon, un científico, quien descubrió su secreto especial unos 25 años después. Él demostró que este método tiene una propiedad llamada secreto perfecto. Esto significa que el mensaje cifrado no da ninguna pista sobre el mensaje original. Es como si el mensaje secreto no contuviera información útil para un espía.

A pesar de ser tan segura, la libreta de uso único tiene algunos desafíos en la práctica:

  • Necesita claves secretas que sean perfectamente aleatorias y que solo se usen una vez.
  • Crear y compartir estas claves debe ser muy seguro. Además, la clave debe ser tan larga como el mensaje que quieres enviar.
  • Hay que tener mucho cuidado para que las claves siempre se mantengan en secreto. También es crucial destruirlas correctamente después de usarlas para que nadie pueda reutilizarlas.

Estas dificultades han hecho que, en algunos casos, los sistemas de libreta de uso único se hayan roto. Por eso, no se usa de forma generalizada para la seguridad informática.

Es muy importante que la clave se use solo una vez. Si una clave se usa dos veces, incluso con mensajes diferentes, se puede descifrar con operaciones matemáticas sencillas. Un ejemplo famoso de esto fue el Proyecto Venona, donde se lograron descifrar mensajes secretos porque las claves se habían reutilizado.

La libreta de uso único tampoco protege la integridad del mensaje. Esto significa que un atacante podría cambiar parte del mensaje cifrado si sabe lo que se está enviando. Para evitar esto, se pueden usar otras técnicas, pero estas no tienen la misma prueba de seguridad que la libreta de uso único.

Historia de la libreta de uso único

La historia de este método tiene cuatro momentos clave:

Desarrollo técnico

El primer sistema de libreta de uso único fue eléctrico. En 1917, Gilbert Vernam de AT&T inventó un cifrado para máquinas de teletipo. Cada letra del mensaje se combinaba con una letra de una clave en una cinta de papel. El capitán Joseph Mauborgne se dio cuenta de que si la clave era totalmente aleatoria, sería mucho más difícil de romper. Juntos crearon el primer sistema de cinta de un solo uso.

El segundo desarrollo fue la libreta de papel. Los diplomáticos usaban códigos y cifrados para mantener sus mensajes en secreto. A principios de los años 20, tres expertos alemanes, Werner Kunze, Rudolf Schauffler y Erich Langlotz, descubrieron que si se usaba un número aleatorio diferente para cada parte del mensaje, el cifrado sería irrompible. Crearon libretas de papel con números aleatorios. Cada página se usaba una vez y luego se destruía. El Ministerio de Asuntos Exteriores alemán empezó a usar este sistema en 1923.

Ejemplo de cómo funciona

Imagina que Alicia quiere enviar el mensaje "HOLA" a Roberto. Antes, ellos ya tienen libretas de papel con secuencias de letras aleatorias idénticas, que se han entregado de forma segura.

Alicia elige una página sin usar de su libreta. Esta página contiene la clave para el mensaje. Cada letra de la clave se combina con una letra del mensaje. Para esto, se asigna un número a cada letra (A=0, B=1, ..., Z=26). Luego, se suman los números de la letra del mensaje y la letra de la clave. Si el resultado es mayor que 26, se le resta 27 (esto se llama "suma modular").

Supongamos que la clave empieza con: X M C K Y el mensaje es: H O L A

Así se cifraría:

  • X (24) + H (7) = 31. Al restar 27, queda 4, que es E.
  • M (12) + O (15) = 27. Al restar 27, queda 0, que es A.
  • C (2) + L (11) = 13, que es N.
  • K (10) + A (0) = 10, que es K.

El mensaje cifrado que Alicia envía a Roberto es "EANK".

Para descifrarlo, Roberto usa la misma página de la clave. Pero en lugar de sumar, resta la clave del mensaje cifrado. Si el resultado es negativo, le suma 27.

Así se descifraría:

  • E (4) - X (24). Como 4-24 es negativo, sumamos 27: 4 - 24 + 27 = 7, que es H.
  • A (0) - M (12). Como 0-12 es negativo, sumamos 27: 0 - 12 + 27 = 15, que es O.
  • N (13) - C (2) = 11, que es L.
  • K (10) - K (10) = 0, que es A.

Roberto recupera el mensaje original: "HOLA". Después de usar la página, tanto Alicia como Roberto la destruyen para que nadie más pueda usarla.

La KGB (una agencia de espionaje) solía enviar a sus agentes libretas de uso único impresas en hojas muy pequeñas de "papel flash". Este papel estaba tratado para quemarse casi al instante sin dejar cenizas, lo que facilitaba su destrucción.

Hoy en día, las libretas de uso único se pueden implementar en computadoras usando archivos de datos para el mensaje, el mensaje cifrado y la clave. A menudo se usa una operación matemática llamada XOR para combinar el mensaje con la clave, porque es muy rápida en las computadoras. Sin embargo, sigue siendo un desafío asegurarse de que la clave sea realmente aleatoria, que se use solo una vez y que se destruya completamente después de su uso.

Seguridad de la libreta de uso único

Las libretas de uso único son muy seguras desde el punto de vista de la teoría de la información. Esto significa que un experto en descifrar códigos no puede obtener ninguna información sobre el mensaje original a partir del mensaje cifrado. Esta idea de seguridad fue desarrollada por Claude Shannon durante la Segunda Guerra Mundial.

Si se usan correctamente, las libretas de uso único son seguras incluso contra atacantes con un poder de cálculo ilimitado. Por ejemplo, si un atacante intercepta el mensaje "EANK" de Alicia, podría encontrar muchas claves diferentes que producirían mensajes distintos, todos igualmente posibles. No hay forma de saber cuál es el mensaje real solo con el texto cifrado.

La mayoría de los otros métodos de cifrado usan patrones complejos. Aunque los mejores de ellos son muy difíciles de romper, no se ha demostrado matemáticamente que sean imposibles de descifrar. Sin embargo, la libreta de uso único sí tiene esa prueba matemática de seguridad.

Errores que pueden hacerla vulnerable

Aunque las libretas de uso único son muy seguras si se usan bien, un pequeño error puede permitir que se descifren:

  • En 1944-1945, el ejército de EE. UU. logró descifrar un sistema alemán que usaba libretas de uso único. El problema fue que las claves no eran completamente aleatorias; la máquina que las generaba producía patrones predecibles.
  • En 1945, EE. UU. descubrió que algunos mensajes soviéticos se cifraban con libretas de uso único que se habían reutilizado. Esto, combinado con el hecho de que algunos mensajes contenían documentos conocidos, permitió descifrarlos.
  • Las agencias de espionaje soviéticas usaban libretas de uso único generadas por personas en máquinas de escribir. Aunque este método no es "verdaderamente" aleatorio, generalmente era efectivo. Sin embargo, algunos errores en la generación o reutilización de las claves permitieron que la inteligencia estadounidense y británica descifrara parte de sus comunicaciones durante la Segunda Guerra Mundial.

¿Cómo conseguir claves verdaderamente aleatorias?

Para que una libreta de uso único sea perfectamente segura, necesita claves que sean completamente impredecibles. Una forma de obtener datos impredecibles es usando fenómenos de la mecánica cuántica o de la teoría del caos.

Para usar estos datos en una libreta de uso único, deben ser perfectamente aleatorios. A veces, las fuentes de aleatoriedad tienen pequeñas imperfecciones. Existe una técnica llamada destilación de entropía o blanqueamiento de Von Neumann que puede tomar datos con imperfecciones y convertirlos en datos perfectamente aleatorios.

En sistemas como Linux, existe un generador de números aleatorios llamado `/dev/random`. Este usa el "ruido" del ambiente (como el movimiento del ratón o las pulsaciones del teclado) para crear datos aleatorios. Se considera muy bueno, pero puede ser lento si no hay suficiente "ruido". También existe `/dev/urandom`, que usa un algoritmo para generar datos cuando no hay ruido ambiental. Sin embargo, las claves generadas con algoritmos deterministas no tienen la misma seguridad teórica que una libreta de uso único con claves verdaderamente aleatorias.

Es importante tener cuidado al generar libretas de uso único con computadoras. Si una computadora está conectada a internet o tiene programas maliciosos, la clave podría ser robada o generada de forma predecible. Una forma de reducir este riesgo es generar las claves en una computadora que nunca esté conectada a internet y que solo se use para esa tarea. Si se van a imprimir libretas de papel, es mejor usar una impresora dedicada.

Galería de imágenes

Véase también

Kids robot.svg En inglés: One-time pad Facts for Kids

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Libreta de un solo uso para Niños. Enciclopedia Kiddle.