Tabla de Contenidos
1. Introducción
Los informes persistentes de filtraciones de cuentas y contraseñas de sitios web destacan la importancia crítica de la seguridad de la información y las contraseñas. Si bien las vulnerabilidades de los sitios web son un factor, la seguridad inherente de la contraseña en sí es primordial. Las prácticas comunes de contraseñas inseguras incluyen contraseñas basadas en palabras clave, el uso de frases populares, la incorporación de información personal y la reutilización de contraseñas. El auge de la IA y los modelos de lenguaje grandes empodera aún más a los atacantes para adivinar contraseñas de manera más efectiva.
Esta investigación propone un generador de contraseñas seguro basado en Generadores Criptográficamente Seguros de Números Pseudoaleatorios (PRNGs). Construye PRNGs utilizando Código de Autenticación de Mensajes con Hash con Clave (HMAC), MAC Basado en Cifrado (CMAC) o MAC de KECCAK (KMAC) para generar números aleatorios seguros, que luego se utilizan para producir contraseñas. La aleatoriedad generada se valida contra el estándar NIST SP 800-90B mediante pruebas de entropía y de Independencia e Idéntica Distribución (IID).
2. Revisión de la Literatura
2.1. PRNG Basado en Generador Congruencial Lineal
Comúnmente utilizado en lenguajes como C y Java, los LCG generan una secuencia mediante la relación de recurrencia: $f_i(k) \equiv a \times f_{i-1}(k) + c \ (\text{mod} \ m)$, inicializado por $k$. Son inseguros ya que el estado puede revertirse: $f_{i-1}(k) \equiv (f_i(k) - c) \times a^{-1} \ (\text{mod} \ m)$, exponiendo la semilla y toda la secuencia.
2.2. Generadores Seguros de Números Pseudoaleatorios
Los PRNGs criptográficos están diseñados para ser impredecibles, incluso cuando se conoce parte de su salida.
2.2.1. PRNG Basado en HMAC
La seguridad se basa en la propiedad unidireccional de las funciones hash (por ejemplo, SHA2, SHA3). Para una clave $k$ y un mensaje $M$, el HMAC se calcula como: $r_{hmac}(k, M) = h((k \oplus opad) \ || \ h((k \oplus ipad) \ || \ M))$. Se utiliza el modo contador para generar múltiples bloques para salidas más largas.
2.2.2. PRNG Basado en CMAC
La seguridad se basa en el Estándar de Cifrado Avanzado (AES). Opera en modo Encadenamiento de Bloques de Cifrado (CBC). El bloque de texto cifrado final después de procesar el mensaje rellenado sirve como MAC/salida: $r_{cmac}(k, Split(M))$.
2.2.3. PRNG Basado en KMAC
Basado en la función hash SHA-3 (KECCAK), KMAC proporciona una salida de longitud variable y se considera un candidato sólido para la criptografía post-cuántica.
2.3. Métodos de Validación de Aleatoriedad
NIST SP 800-90B proporciona metodologías para evaluar fuentes de entropía. La estimación de entropía cuantifica la impredecibilidad (min-entropía). La prueba IID verifica si los datos son independientes e idénticamente distribuidos, un supuesto clave para muchas pruebas estadísticas. Aprobar estas valida la calidad de la fuente de aleatoriedad.
3. Generador de Contraseñas Seguro Propuesto
La arquitectura del sistema implica: 1) El usuario proporciona opcionalmente un Mensaje a Hashear (TBHM). 2) Un PRNG criptográfico (basado en HMAC/CMAC/KMAC) utiliza el TBHM (y una clave) para generar un flujo de bits de alta entropía. 3) Este flujo de bits se mapea a un conjunto de caracteres definido por el usuario (por ejemplo, alfanuméricos + símbolos) de una longitud especificada para producir la contraseña final. La seguridad se analiza comparando el espacio de búsqueda de la contraseña con las fortalezas de clave de AES-128 y AES-256.
4. Experimentos y Resultados
4.1. Configuración Experimental
Se implementaron los tres tipos de PRNG (HMAC-SHA256, CMAC-AES-128, KMAC256). Se generaron grandes secuencias de bits aleatorios para las pruebas.
4.2. Resultados de Validación de Aleatoriedad
Resultado Clave: Las tres construcciones de PRNG propuestas (HMAC, CMAC, KMAC) aprobaron exitosamente tanto la validación de entropía como las pruebas IID según NIST SP 800-90B. Esto demuestra empíricamente que los números generados poseen suficiente aleatoriedad y calidad estadística para la generación criptográfica de contraseñas.
4.3. Análisis de Rendimiento
Se evaluó la eficiencia computacional. Si bien todos los métodos son viables, KMAC y HMAC pueden mostrar diferentes perfiles de rendimiento según la plataforma, siendo CMAC basado en AES a menudo más rápido en hardware con aceleración AES.
5. Conclusión y Trabajo Futuro
Este artículo presentó un marco de generador de contraseñas seguro construido sobre PRNGs criptográficos (HMAC, CMAC, KMAC). La aleatoriedad generada se validó utilizando estándares NIST, confirmando su idoneidad. El trabajo futuro incluye integrar el generador en extensiones de navegador o gestores de contraseñas, explorar su uso en la generación de claves criptográficas más allá de las contraseñas, y probar la resistencia contra ataques de adivinación emergentes basados en IA.
6. Análisis Original y Comentario Experto
Perspectiva Central: Este artículo no trata de inventar un nuevo cifrado; es una solución de ingeniería pragmática y conforme a los estándares para un problema humano generalizado: la creación de contraseñas débiles. Su valor central radica en aplicar correctamente primitivas criptográficas establecidas (HMAC, CMAC, KMAC) como PRNGs recomendados por NIST y validar rigurosamente la salida, un paso que a menudo se pasa por alto en los generadores de contraseñas "hágalo usted mismo". En una era en la que la IA puede modelar patrones de datos personales (como se ve en investigaciones sobre adivinación de contraseñas impulsada por IA como PassGAN), cambiar la fuente de aleatoriedad de las contraseñas del cerebro humano a algoritmos criptográficos validados es una mejora de seguridad no negociable.
Flujo Lógico: La lógica es sólida y sigue una plantilla clásica de criptografía aplicada: 1) Identificar vulnerabilidad (contraseñas débiles generadas por humanos). 2) Seleccionar herramientas criptográficas apropiadas y validadas (PRNGs de NIST SP 800-108). 3) Construir un sistema (mapear la salida del PRNG a un conjunto de caracteres). 4) Validar el componente central (salida del PRNG vía NIST SP 800-90B). Esta metodología refleja las mejores prácticas en el diseño de sistemas seguros, similar a cómo bibliotecas modernas como `libsodium` priorizan primitivas robustas y seguras por defecto.
Fortalezas y Debilidades:
Fortalezas: La rigurosa validación NIST es el punto más fuerte del artículo, proporcionando credibilidad empírica. El uso de KMAC se alinea con la preparación post-cuántica. La entrada opcional del usuario (TBHM) es una característica inteligente, que permite la regeneración determinista de la contraseña si es necesario, sin comprometer la seguridad si el PRNG es robusto.
Debilidades: La principal limitación del artículo es su alcance como prueba de concepto. Carece de un análisis de implementación en el mundo real que aborde canales laterales (ataques de tiempo durante el mapeo), gestión segura de claves para el PRNG y desafíos de integración con políticas de contraseñas existentes. Además, aunque compara la fortaleza de la contraseña con AES, no analiza en profundidad la pérdida de entropía durante el proceso de mapeo del conjunto de caracteres, que es un detalle crítico para contraseñas cortas.
Perspectivas Accionables: Para los profesionales de la seguridad, la conclusión es clara: Dejen de permitir que los usuarios o funciones aleatorias ingenuas elijan contraseñas. Implementen un generador de contraseñas en el backend como este para restablecimientos de "contraseña olvidada" o configuración inicial de usuario. La elección específica del PRNG puede adaptarse: usar CMAC-AES para velocidad en servidores comunes, KMAC para preocupaciones cuánticas a largo plazo. Crucialmente, cualquier adopción debe incluir gestionar la semilla/clave del PRNG con el mismo rigor que cualquier clave criptográfica. Este trabajo debería integrarse en marcos como la Hoja de Referencia de Autenticación de OWASP como un patrón recomendado para la generación segura de contraseñas.
7. Detalles Técnicos y Formulación Matemática
La seguridad depende de las formulaciones del PRNG. Para HMAC:
$r_{hmac}(k, M) = h((k \oplus opad) \ || \ h((k \oplus ipad) \ || \ M))$
donde $h$ es un hash como SHA-256, $ipad/opad$ son constantes, y $k$ es la clave. Para la generación de contraseñas, se incorpora un contador $i$ en $M_i$ para generar múltiples bloques: $M_i = i || \text{Etiqueta} || 0x00 || \text{Contexto} || L$. Luego, los bits de salida se convierten en un índice entero para seleccionar caracteres del conjunto $C$ de tamaño $N$: $\text{índice} = \text{bits_aleatorios} \mod N$.
8. Marco de Análisis y Ejemplo de Caso
Escenario: Un servicio web necesita generar una contraseña fuerte de 12 caracteres para una nueva cuenta de usuario.
Aplicación del Marco:
1. Definir Parámetros: Conjunto de caracteres $C$ = 94 caracteres ASCII imprimibles. Longitud $L=12$. Elección de PRNG: HMAC-SHA256.
2. Generar Aleatoriedad: Recopilar entropía para la semilla $k$. Usar TBHM = "servicioX_usuario123". Ejecutar el PRNG basado en HMAC en modo contador para producir $\lceil log_2(94^{12}) \rceil \approx 79$ bits de entropía.
3. Mapear a Contraseña: Usar el flujo de 79 bits para generar 12 índices, cada uno seleccionando un carácter de $C$.
4. Verificación de Validación: La entropía de la contraseña generada es ~78.5 bits, comparable a una clave simétrica de ~80 bits, significativamente más fuerte que cualquier contraseña elegida por un humano.
Flujo de Trabajo Sin Código: Este proceso puede encapsularse en una llamada API del lado del servidor, abstrayendo completamente la criptografía del usuario final.
9. Aplicaciones y Direcciones Futuras
1. Motor Central de Gestores de Contraseñas: Integrar este generador como el motor de creación de contraseñas predeterminado en gestores de contraseñas de código abierto y comerciales (por ejemplo, Bitwarden, 1Password).
2. Transición Post-Cuántica: La generación basada en KMAC es una solución lista para la generación de contraseñas y tokens resistentes a la cuántica, según lo recomendado por el proyecto de Criptografía Post-Cuántica de NIST.
3. Seguridad IoT e Integrada: Las versiones ligeras de CMAC-AES pueden generar contraseñas de dispositivo únicas y claves API en entornos restringidos.
4. Blockchain y Web3: Generar semillas de frases mnemotécnicas seguras y aleatorias para billeteras de criptomonedas utilizando una fuente verificablemente aleatoria.
5. Estandarización: Proponer esta metodología a organismos de normalización como IETF o FIDO para su inclusión en protocolos de autenticación de próxima generación.
10. Referencias
- M. Bishop, "Computer Security: Art and Science", Addison-Wesley, 2018.
- NIST, "Special Publication 800-63B: Digital Identity Guidelines", 2017.
- M. L. Mazurek et al., "Measuring Password Guessability for an Entire University", IEEE S&P, 2013.
- B. Ur et al., "How Does Your Password Measure Up? The Effect of Strength Meters on Password Creation", USENIX Security, 2012.
- NIST, "Special Publication 800-108: Recommendation for Key Derivation Using Pseudorandom Functions", Rev. 1, 2022.
- NIST, "Special Publication 800-90B: Recommendation for the Entropy Sources Used for Random Bit Generation", 2018.
- J. Kelsey, B. Schneier, D. Wagner, "Secure Applications of Low-Entropy Keys", ISW, 1997.
- FIPS PUB 202, "SHA-3 Standard: Permutation-Based Hash and Extendable-Output Functions", 2015.
- B. Hitaj et al., "PassGAN: A Deep Learning Approach for Password Guessing", NeurIPS Workshop, 2017.
- D. J. Bernstein et al., "The Security Impact of a New Cryptographic Random Number Generator", 2020.