¿Qué es 'Advanced Encryption Standard' (AES)?

AES, que significa "Advanced Encryption Standard" (Estándar Avanzado de Encriptación), es un algoritmo de cifrado simétrico utilizado ampliamente en todo el mundo para proteger datos. Fue establecido como un estándar de cifrado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. (NIST) en 2001, después de un proceso de selección que duró cinco años. AES sustituyó al antiguo estándar DES (Data Encryption Standard) debido a su capacidad para ofrecer una mejor seguridad y eficiencia.

Cómo funciona AES

El funcionamiento de AES (Advanced Encryption Standard) se puede describir de manera detallada siguiendo su proceso de cifrado, que es bastante técnico pero fundamental para entender cómo garantiza la seguridad de los datos. AES es un algoritmo de cifrado de bloque que opera en bloques de datos de 128 bits y utiliza claves de cifrado que pueden ser de 128, 192 o 256 bits. 

Aquí está cómo funciona, paso a paso:

1. Preparación de la Clave de Cifrado:

Antes de comenzar el cifrado, AES genera un conjunto de claves de ronda a partir de la clave de cifrado original. Este proceso se llama expansión de clave y resulta en una clave de ronda separada para cada ronda de cifrado, más una clave inicial.

2. Inicialización:

El bloque de datos de 128 bits es primero combinado con la clave inicial mediante una operación XOR (exclusive or).

3. Rondas de Cifrado:

• Número de Rondas: Dependiendo de la longitud de la clave, AES tiene 10 rondas para claves de 128 bits, 12 rondas para claves de 192 bits y 14 rondas para claves de 256 bits. Cada ronda consta de los siguientes cuatro pasos, excepto la última ronda que omite el paso de "mezcla de columnas":

  • SubBytes (Sustitución de Bytes): Cada byte del bloque de datos se reemplaza por otro según una tabla de sustitución predefinida llamada S-box. Esto proporciona la propiedad de confusión al algoritmo.

  • ShiftRows (Rotación de Filas): Las filas del bloque se desplazan cíclicamente a la izquierda. La primera fila no se desplaza, la segunda fila se desplaza un byte, la tercera fila dos bytes y la cuarta fila tres bytes. Esto afecta la difusión del cifrado.

  • MixColumns (Mezcla de Columnas): Esta etapa combina los bytes de cada columna del bloque. Se trata de una operación matemática que trata cada columna como un polinomio sobre un campo finito y lo multiplica por un polinomio fijo, lo cual dispersa los valores de los bytes a lo largo de la columna.

  • AddRoundKey (Adición de la Clave de Ronda): La clave de ronda correspondiente se combina con el bloque de datos mediante una operación XOR. La clave de ronda es diferente para cada ronda debido a la expansión de clave inicial.

4. Finalización:

Después de la última ronda, se realiza una operación final que consiste en las etapas de SubBytes, ShiftRows y AddRoundKey (sin MixColumns). Esto completa el proceso de cifrado y produce el bloque de datos cifrado.

5. Decifrado:

AES es simétrico, lo que significa que el mismo algoritmo y la misma clave se utilizan para cifrar y descifrar, pero los pasos se invierten. Las operaciones inversas específicas se aplican en cada paso para deshacer el cifrado.

AES es eficiente y seguro debido a la complejidad de sus operaciones, que aseguran tanto la confusión como la difusión, dos propiedades cruciales en la criptografía que ayudan a proteger contra ataques criptoanalíticos comunes como los ataques por análisis de frecuencia y los ataques de clave relacionada.

Implementación práctica de AES en diferentes lenguajes de programación. 

Implementar AES en diferentes lenguajes de programación generalmente implica usar bibliotecas que ya proporcionan las funciones criptográficas necesarias, haciendo que el proceso sea más seguro y eficiente en comparación con la implementación del algoritmo desde cero.

Aquí te proporcionaré ejemplos de cómo puedes usar AES para cifrar y descifrar datos en algunos lenguajes de programación populares: Python, Java y C#.

1. Python

Python ofrece la biblioteca cryptography, que es muy utilizada y segura para operaciones criptográficas. Aquí está cómo puedes cifrar y descifrar datos con AES:

2. Java

Java utiliza las clases incorporadas en javax.crypto para manejar AES. Aquí tienes un ejemplo básico:

3. C#

C# maneja AES con las clases en el espacio de nombres System.Security.Cryptography. Aquí tienes un ejemplo:

Estos ejemplos te proporcionan una base sólida para implementar AES en tus proyectos de software, asegurándote de que tus datos se mantengan seguros mediante cifrado.

Casos de uso

AES (Advanced Encryption Standard) es uno de los algoritmos de cifrado más utilizados y fiables en el mundo digital actual. Gracias a su seguridad probada y su eficiencia tanto en software como en hardware, AES tiene una amplia gama de aplicaciones en diferentes sectores.

Aquí detallo algunos casos de uso clave de AES:

1. Seguridad en Internet

AES es fundamental para proteger la transmisión de datos en Internet. Se utiliza en diversos protocolos de seguridad como SSL/TLS, que aseguran las conexiones entre navegadores web y servidores. Esto hace posible que las transacciones en línea, como la banca o las compras en línea, sean seguras.

2. VPN (Redes Privadas Virtuales)

Las VPN utilizan AES para cifrar el tráfico de datos entre dispositivos y redes, protegiendo la privacidad de los usuarios y manteniendo la confidencialidad de la información al acceder o enviar datos a través de redes inseguras como el Wi-Fi público.

3. Cifrado de archivos y discos

AES es ampliamente utilizado en soluciones de cifrado de discos completos como BitLocker de Microsoft y FileVault de Apple. Estas herramientas utilizan AES para asegurar que toda la información almacenada en un dispositivo esté cifrada, protegiendo los datos de accesos no autorizados.

4. Comunicaciones móviles

En la telefonía móvil, AES se emplea para proteger la información confidencial que se transmite entre dispositivos móviles y torres de telecomunicaciones. Esto incluye la protección de voz y mensajes de texto en plataformas que ofrecen cifrado de extremo a extremo.

5. Sistemas de pago electrónico

AES se usa para asegurar las transacciones de tarjetas de crédito y otros tipos de pagos electrónicos. Las normativas de seguridad de datos de la industria de tarjetas de pago (PCI DSS) recomiendan AES para el cifrado de datos de tarjetas almacenados.

6. Redes de sensores y IoT (Internet de las Cosas)

En el ámbito de IoT, AES ayuda a proteger la comunicación entre dispositivos inteligentes y servidores de control. Dado que muchos de estos dispositivos operan con recursos limitados, la eficiencia de AES en términos de computación y energía es crucial.

7. Archivos de respaldo

Para garantizar la seguridad de los datos en copias de seguridad, AES se utiliza para cifrar archivos antes de transferirlos a ubicaciones de almacenamiento en la nube o físicas, protegiéndolos contra el acceso no autorizado.

8. Software de mensajería segura

Aplicaciones de mensajería como WhatsApp y Signal utilizan AES, junto con otros algoritmos, para implementar cifrado de extremo a extremo, asegurando que solo el remitente y el receptor puedan acceder al contenido de los mensajes.

9. Servicios gubernamentales y militares

Debido a su alta seguridad, AES es también un estándar en aplicaciones gubernamentales y militares para proteger información clasificada.

Estos casos de uso muestran cómo AES juega un papel crucial en la protección de la información en una amplia variedad de entornos, resaltando su importancia en la seguridad de la información moderna.

Conclusión

La estructura del AES permite un cifrado robusto mediante claves de 128, 192 o 256 bits, adaptándose eficientemente tanto a plataformas de alto rendimiento como a dispositivos con recursos limitados. Utilizado en numerosos ámbitos como la seguridad en Internet, VPNs, cifrado de discos, y comunicaciones móviles, AES es fundamental en la protección de transacciones electrónicas y datos sensibles, garantizando la integridad y la confidencialidad de la información en un entorno digital cada vez más complejo.