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Criptografía (CCLXXVI): Cifrado Vernam en python

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Continúo poniendo scripts de programación en python para automatizar tareas que tengan relación con la criptografía.

En este post incluyo un script en python para el cifrado y descifrado utilizando el cifrado Vernam.

Antes de poner el script, recordar que en este post expliqué cómo se cifraba y descifraba utilizando este criptosistema, que fue inventado por Gilbert S. Vernam en 1917 para su uso en la transmisión telegráfica con el código Baudot. No obstante, se puede utilizar con diferentes codificaciones para el alfabeto y en este script voy a utilizar la codificación ASCII.

Un cifrado que yo creo que está a caballo entre los cifrados clásicos y los cifrados modernos, y que pienso que en terminología clásica se puede clasificar como un cifrado de sustitución simple polialfabética de clave no periódica (tal y como lo es, por ejemplo, el cifrado autoclave), mientras que en terminología moderna se puede clasificar como un cifrado de flujo (tal y como lo es, por ejemplo, RC4). 

Este criptosistema, al que Joseph Mauborgne hizo una contribución fundamental: utilizar como clave una secuencia aleatoria de igual longitud que el mensaje, que se usa una única vez (lo que se conoce en inglés como 'one-time pad') y que  tras su uso se destruye, presenta la propiedad de secreto perfecto tal y como la formuló Claude Shannon a mediados del siglo XX.

Las funciones de cifrado y descifrado consisten en aplicar una operación XOR u o-exclusivo (suma módulo 2) entre los bits de la clave y los bits de los caracteres, tanto del texto en plano, para cifrar, como del criptograma, para descifrar:

Ek(mi) = (mi + ki) mod 2 = mi ⊕ ki

Dk (ci) = (ci + ki) mod 2 = ci ⊕ ki

Donde:
k: clave.
E: función de cifrado.
mi: bit i-ésimo del mensaje o texto en claro a cifrar.
ki: bit i-ésimo de la clave.
D: función de descifrado.
ci: bit i-ésimo del criptograma o texto cifrado.

- Script python del cifrado Vernam:

El script es el siguiente: 

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

# CIFRADO DE VERNAM:
#
# Cifra y descifra textos en claro y criptogramas, respectivamente,
# utilizando el criptosistema de Vernam.
#
# http://mikelgarcialarragan.blogspot.com/

import os
import pyperclip
import string

# FUNCIÓN DE CIFRADO / DESCIFRADO:
# La función de cifrado es: Ek(mi) = (mi + Ki) mod 2 = mi XOR Ki
# La función de descifrado es: Dk(Ci) = (Ci + Ki) mod 2 = Ci XOR Ki
def cifrar_descifrar(mensaje_criptograma,clave):
    mensaje_criptograma = (bin(int(mensaje_criptograma,2) ^ int(clave,2)))[2:].zfill(len(clave))
    return mensaje_criptograma

def main():
# MENÚ:
# Se presenta el menú para que se seleccione una opción.
    salir = False
    while not salir:
        print ("")
        print ("*** MENÚ *****************************************")
        print ("1. Generar clave aleatoria y copiarla en el portapapeles.")
        print ("2. Cifrar.")
        print ("3. Descifrar.")
        print ("4. Salir.")
        print ("")
        opcion = input("Por favor, seleccione una opción: ")
        if opcion == "1":
            print ("")
            print ("--- GENERAR CLAVE ALEATORIA:")
            # Generar clave aleatoria: Genera una clave aleatoria y la copia en el portapapeles.
            tamaño_mensaje = "*"
            while not tamaño_mensaje.isnumeric():
                tamaño_mensaje = input('[+] Tamaño del mensaje a cifrar: ')
                if tamaño_mensaje.isnumeric():
                    clave = (os.urandom(int(tamaño_mensaje))).hex()
                    print ("[+] Clave generada (hexadecimal):", clave)
                    pyperclip.copy(str(clave))
                    print ("[+] Clave copiada en el portapapeles.")
                else:
                    print ("*** ERROR: El tamaño del mensaje a cifrar debe ser un número natural.")
        elif opcion == "2":
            print ("")
            print ("--- CIFRAR:")
            # Cifrar: Se introduce el mensaje a cifrar y se recupera la clave del portapapeles.
            mensaje = ""
            while mensaje == "":
                mensaje = input('Mensaje a cifrar: ')
                if mensaje != "":
                    clave = pyperclip.paste()
                    if all(digito in string.hexdigits for digito in clave):
                        print ("[+] Clave recuperada del portapapeles (hexadecimal):", clave)
                        if len(mensaje) == len(clave)/2:
                            mensaje = ''.join(bin(ord(caracter))[2:].zfill(8) for caracter in mensaje)
                            print ("[+] Mensaje (binario):        ", mensaje)
                            clave = (bin(int(clave, 16))[2:]).zfill(len(mensaje))
                            print ("[+] Clave (binario):          ", clave)
                            criptograma = cifrar_descifrar(mensaje,clave)
                            print ("[+] Criptograma (binario):    ", criptograma)
                            criptograma = (hex(int(criptograma,2))[2:]).zfill(len(mensaje)//4)
                            print ("[+] Criptograma (hexadecimal):", criptograma)
                            pyperclip.copy(criptograma + " " + pyperclip.paste())
                            print ("[+] Criptograma y clave copiados en el portapapeles.")
                        else:
                            print ("*** ERROR: El mensaje a cifrar y la clave recuperada del portapapeles deben tener la misma longitud.")
                            mensaje = ""
                    else:
                        print ("*** ERROR: Clave recuperada del portapapeles incorrecta.")
                        mensaje = ""
        elif opcion == "3":
            print ("")
            print ("--- DESCIFRAR:")
            # Descifrar: Se recuperan el criptograma a descifrar y la clave del portapapeles.
            criptograma, clave = pyperclip.paste().split(' ')
            if criptograma != "" and all(digito in string.hexdigits for digito in criptograma):
                print ("[+] Criptograma recuperado del portapapeles (hexadecimal):", criptograma)
                if clave !="" and all(digito in string.hexdigits for digito in clave):
                    print ("[+] Clave recuperada del portapapeles (hexadecimal):", clave)
                    if len(criptograma) == len(clave):
                        criptograma = (bin(int(criptograma, 16))[2:]).zfill(len(criptograma)*4)
                        print ("[+] criptograma (binario):", criptograma)
                        clave = (bin(int(clave, 16))[2:]).zfill(len(criptograma))
                        print ("[+] Clave (binario):      ", clave)
                        mensaje = cifrar_descifrar(criptograma,clave)
                        print ("[+] mensaje (binario):    ", mensaje)
                        mensaje = (hex(int(mensaje,2))[2:]).zfill(len(criptograma)//4)
                        print ("[+] mensaje (hexadecimal):", mensaje)
                        print ("[+] mensaje (ascii):      ", (bytes.fromhex(mensaje)).decode("ASCII"))
                    else:
                        print ("*** ERROR: El criptograma a descifrar y la clave recuperada del portapapeles deben tener la misma longitud.")
                else:
                    print ("*** ERROR: Clave recuperada del portapapeles incorrecta.")
            else:
                print ("*** ERROR: Criptograma recuperado del portapapeles incorrecto.")
        elif opcion == "4":
            print ("*** FIN ******************************************")
            salir = True
        else:
            print ("*** ERROR: Opción no válida.")
	
if __name__ == '__main__':
    main()

Lo ejecuto:

- Generar la clave aleatoria:

Lo primero es generar la clave aleatoria. Nos pedirá la longitud del mensaje a cifrar, ya que la clave debe tener un tamaño igual que éste.

Una vez generada, la clave se copia en el portapapeles.

- Cifrar:

Después se cifra el mensaje con la clave que se recupera del portapapeles.

Nótese que al utilizarse la operación XOR el criptograma puede tener caracteres de control de la tabla ASCII, es decir, no imprimibles, por lo que  el criptograma se representa con los números de código ASCII de cada carácter, para lo que el script utiliza la numeración hexadecimal.

Una vez cifrado el mensaje, el criptograma junto con la clave se copian en el portapapeles (para mayor comodidad en el descifrado, ya que así no hay que incluirlos manualmente).

- Descifrar:

Y, finalmente, se descifra el criptograma, que se recupera del portapapeles junto con la clave.

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