Algoritmos de criptografia simétrica

A criptografia simétrica usa uma única chave compartilhada para criptografar e descriptografar dados. O remetente e o destinatário precisam ter a mesma chave secreta, e mantê-la segura é fundamental — qualquer pessoa com a chave pode descriptografar os dados. A criptografia simétrica é rápida e eficiente do ponto de vista computacional, o que a torna ideal para criptografar grandes volumes de dados. O principal desafio da criptografia simétrica é a distribuição de chaves: como duas partes podem compartilhar uma chave com segurança antes de terem um canal seguro?

O Advanced Encryption Standard (AES) é o algoritmo de criptografia simétrica mais utilizado atualmente, adotado pelo NIST em 2001 como sucessor do DES. O AES opera com blocos de 128 bits e aceita três tamanhos de chave: AES-128, AES-192 e AES-256, em que o número indica o comprimento da chave em bits. O AES-256 oferece a maior margem de segurança. O AES é usado em TLS para HTTPS, na criptografia de disco completo (BitLocker), na criptografia de arquivos e em praticamente todas as aplicações modernas seguras. Não há vulnerabilidades práticas conhecidas quando ele é implementado corretamente.

Data Encryption Standard (DES) foi o primeiro algoritmo simétrico amplamente adotado, padronizado em 1977 com uma key de 56 bits. Uma key de 56 bits significa apenas 2^56 keys possíveis — em 1999, um projeto de computação distribuída conseguiu quebrar uma mensagem criptografada com DES em menos de 24 horas. Atualmente, o DES é considerado quebrado do ponto de vista criptográfico e nunca deve ser usado em sistemas novos. Ele continua sendo importante para o exame Security+, pois entender por que o DES falhou (comprimento insuficiente da key) reforça por que algoritmos modernos como o AES usam keys de 128 a 256 bits.

Triple DES (3DES ou TDEA) foi criado como uma solução provisória para a vulnerabilidade do DES, aplicando o algoritmo DES três vezes a cada bloco de dados. O uso de três keys diferentes de 56 bits fornece uma força efetiva de key de 112 bits, considerada adequada até o início dos anos 2000. No entanto, o 3DES é significativamente mais lento que o AES (por aplicar a criptografia três vezes) e é vulnerável ao ataque de aniversário Sweet32 em conexões longas. A NIST descontinuou oficialmente o 3DES em 2023. Ele está sendo substituído pelo AES em todas as aplicações.

Os algoritmos simétricos são classificados como cifradores de bloco ou cifradores de fluxo. Os cifradores de bloco (AES, DES) criptografam blocos de dados de tamanho fixo (um “bloco”) — o AES usa blocos de 128 bits. Os cifradores de fluxo criptografam os dados um bit ou byte por vez usando um fluxo de keys, o que os torna mais rápidos e adequados para comunicações em tempo real. O RC4 já foi o cifrador de fluxo dominante, mas agora está quebrado e descontinuado. O ChaCha20 é o cifrador de fluxo moderno preferido, usado no TLS 1.3 e no WireGuard por sua velocidade e segurança em hardwares sem aceleração para AES.

A forma como um cifrador de bloco lida com vários blocos de dados é determinada pelo seu modo de operação. O ECB (Electronic Code Book) criptografa cada bloco de forma independente, produzindo um texto cifrado idêntico para blocos de texto claro idênticos — algo notoriamente visível na demonstração da imagem do “pinguim do ECB”. Ele nunca é seguro. O CBC (Cipher Block Chaining) aplica XOR a cada bloco de texto claro com o bloco de texto cifrado anterior antes de criptografá-lo, adicionando difusão. O GCM (Galois/Counter Mode) fornece tanto criptografia quanto autenticação de integridade (AEAD) e é o modo preferido no TLS 1.3.

A segurança de um algoritmo de criptografia simétrica está diretamente relacionada ao seu comprimento da key. Keys mais longas significam mais combinações possíveis e um trabalho exponencialmente maior para um invasor que realiza um ataque de força bruta. Uma key de 128 bits tem 2^128 combinações possíveis — mesmo a um bilhão de bilhões de tentativas por segundo, a força bruta levaria mais tempo que a idade do universo. A NIST recomenda keys de no mínimo 128 bits para criptografia simétrica em sistemas novos, preferindo keys de 256 bits para aplicações que exigem segurança de longo prazo contra futuras ameaças da computação quântica.

A principal vulnerabilidade da criptografia simétrica é o gerenciamento de keys. A criptografia é tão segura quanto a key. Os desafios do gerenciamento de keys incluem: distribuição de keys (compartilhar a key com segurança antes da comunicação), armazenamento de keys (proteger keys em repouso usando módulos de segurança de hardware ou cofres de keys), rotação de keys (alterar as keys periodicamente para limitar a exposição) e destruição de keys (excluir keys com segurança quando elas não forem mais necessárias). Um gerenciamento inadequado de keys causou mais falhas de criptografia no mundo real do que as vulnerabilidades matemáticas dos próprios algoritmos.

O AES é o algoritmo por trás das ferramentas de criptografia mais comuns com as quais os profissionais de segurança trabalham diariamente. O BitLocker (Windows) e o FileVault (macOS) usam AES-128 ou AES-256 para criptografar volumes inteiros de disco, protegendo os dados caso um notebook seja roubado. O VeraCrypt fornece criptografia de disco multiplataforma. O AES-256-GCM é usado por provedores de nuvem (AWS S3, Google Cloud) para criptografar objetos em repouso. Entender qual algoritmo sustenta um produto permite avaliar se a implementação da criptografia é adequada ao nível de sensibilidade dos dados.

Dois outros algoritmos simétricos aparecem com frequência nos materiais do Security+. O Blowfish (1993) é um cifrador de bloco com key de comprimento variável (32 a 448 bits), projetado por Bruce Schneier como alternativa de domínio público ao DES. Embora seja rápido e gratuito, seu tamanho de bloco de 64 bits o torna vulnerável a ataques de aniversário em sessões longas. O Twofish (1998) foi finalista da competição do AES, oferecendo keys de 128, 192 ou 256 bits e blocos de 128 bits. Embora ambos ainda sejam seguros, o AES venceu a competição da NIST e domina as implementações modernas. Conhecer esses algoritmos ajuda a contextualizar a escolha do AES.

A criptografia simétrica e a assimétrica desempenham funções complementares. A criptografia simétrica (AES) é rápida e adequada para criptografar grandes quantidades de dados. A criptografia assimétrica (RSA) é lenta, mas resolve o problema da distribuição de keys. Na prática, elas são combinadas: a criptografia assimétrica é usada para trocar com segurança uma key de sessão simétrica; depois, a criptografia simétrica cuida de toda a transferência de dados em massa. Essa abordagem híbrida é a base do TLS (HTTPS), das VPNs e da criptografia de e-mails com PGP — fornecendo tanto a segurança da troca assimétrica de keys quanto a velocidade da criptografia simétrica de dados.

Teste sua compreensão dos conceitos do CompTIA Security+ (SY0-701) apresentados nesta lição.

Nesta lição, você aprendeu que: a criptografia simétrica usa uma única key compartilhada tanto para criptografia quanto para descriptografia; o AES (128/192/256 bits) é o padrão atual; o DES (56 bits) está quebrado e descontinuado; os modos de cifradores de bloco (com preferência pelo GCM) determinam como os blocos são encadeados; e o gerenciamento de keys é o principal desafio operacional. A seguir, exploraremos a criptografia assimétrica e os pares de keys.