Guia Avançado de Criptografia: AES, RSA, ECC e Criptografia Pós-Quântica

Este guia completo explora conceitos avançados de criptografia, algoritmos e protocolos usados em sistemas modernos de comunicação segura. Ideal para desenvolvedores e profissionais de segurança.

Algoritmos de Criptografia Simétrica

AES (Advanced Encryption Standard)

O padrão ouro para criptografia simétrica, adotado pelo governo dos EUA em 2001.

Características Principais

• Tamanhos de chave: 128, 192 ou 256 bits
• Tamanho do bloco: 128 bits
• Rodadas: 10, 12 ou 14 dependendo do tamanho da chave
• Performance: Altamente otimizado, aceleração por hardware disponível

Modos Comuns

• GCM (Galois/Counter Mode): Criptografia autenticada, recomendado para a maioria dos casos de uso
• CBC (Cipher Block Chaining): Modo tradicional, requer MAC separado
• CTR (Counter): Paralelizável, usado em alguns protocolos

ChaCha20

Cifra de fluxo moderna projetada por Daniel J. Bernstein, cada vez mais popular como alternativa ao AES.

Vantagens

• Mais rápido que AES em dispositivos sem aceleração por hardware
• Implementação em tempo constante (resistente a ataques de temporização)
• Design simples, mais fácil de implementar com segurança
• Usado com Poly1305 para criptografia autenticada

Criptografia Assimétrica

RSA (Rivest-Shamir-Adleman)

Amplamente usado para troca de chaves e assinaturas digitais.

Considerações Importantes

• Tamanho mínimo da chave: 2048 bits (4096 bits recomendado para segurança de longo prazo)
• Performance: Computacionalmente caro comparado à criptografia simétrica
• Esquemas de padding: Use OAEP para criptografia, PSS para assinaturas
• Ameaça quântica: Vulnerável a computadores quânticos (algoritmo de Shor)

Elliptic Curve Cryptography (ECC)

Alternativa mais eficiente ao RSA com segurança equivalente em tamanhos de chave menores.

Curvas Populares

• Curve25519: Projetada para troca de chaves ECDH, amplamente adotada
• Ed25519: Para assinaturas digitais, usada em SSH, GPG
• P-256 (secp256r1): Padrão NIST, amplamente suportado
• P-384, P-521: Níveis de segurança mais altos

Vantagens Sobre o RSA

• ECC de 256 bits ≈ segurança RSA de 3072 bits
• Computação mais rápida
• Chaves e assinaturas menores
• Menores requisitos de largura de banda e armazenamento

Protocolos de Troca de Chaves

Diffie-Hellman (DH)

Permite que duas partes estabeleçam um segredo compartilhado em um canal inseguro.

Variantes

• DH Clássico: Implementação original
• ECDH: Versão de Curva Elíptica (mais eficiente)
• X25519: ECDH moderno usando Curve25519

Perfect Forward Secrecy (PFS)

Garante que comunicações passadas permaneçam seguras mesmo se as chaves de longo prazo forem comprometidas.

Implementação

• Gerar pares de chaves efêmeras para cada sessão
• Destruir chaves de sessão após o uso
• Usado em TLS 1.3, Signal Protocol, etc.

Funções Hash

Família SHA-2

• SHA-256: Saída de 256 bits, amplamente usado
• SHA-384, SHA-512: Níveis de segurança mais altos
• Aplicações: Assinaturas digitais, validação de certificados, hash de senhas (com técnicas adequadas)

SHA-3 (Keccak)

• Construção diferente do SHA-2 (função esponja)
• Resistente a ataques de extensão de comprimento
• Adequado para aplicações que requerem altas margens de segurança

BLAKE2/BLAKE3

• Mais rápido que SHA-2 e SHA-3
• Criptograficamente seguro
• BLAKE3: Altamente paralelizável, excelente para grandes volumes de dados

Key Derivation Functions (KDFs)

PBKDF2 (Password-Based Key Derivation Function 2)

• Propósito: Derivar chaves criptográficas de senhas
• Iterações: Mínimo de 100.000 (recomendação OWASP)
• Caso de uso: Armazenamento de senhas, derivação de chaves

Argon2

Vencedor da Password Hashing Competition (2015), recomendado para novas aplicações.

Variantes

• Argon2id: Híbrido (recomendado para a maioria dos casos de uso)
• Argon2i: Otimizado contra ataques de canal lateral
• Argon2d: Máxima resistência a ataques de GPU

scrypt

• Função com uso intensivo de memória (resistente a ataques de hardware)
• Usado por Litecoin, Tarsnap
• Bom equilíbrio entre segurança e compatibilidade

Message Authentication Codes (MACs)

HMAC (Hash-based MAC)

• Combina função hash com chave secreta
• Fornece autenticação e integridade
• Comum: HMAC-SHA256, HMAC-SHA512

Poly1305

• Autenticador de uso único
• Usado com ChaCha20 para criptografia autenticada
• Rápido e em tempo constante

Criptografia Autenticada

Por Que É Importante

A criptografia sozinha não garante integridade. Um atacante pode modificar o texto cifrado sem detecção. A criptografia autenticada resolve isso.

AEAD (Authenticated Encryption with Associated Data)

• AES-GCM: Mais amplamente suportado
• ChaCha20-Poly1305: Melhor em dispositivos móveis
• AES-CCM: Usado em alguns protocolos sem fio

Assinaturas Digitais

Assinaturas RSA

• Padding: Use PSS (Probabilistic Signature Scheme)
• Função hash: SHA-256 ou superior
• Tamanho da chave: Mínimo de 2048 bits

ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm)

• Assinaturas menores que RSA
• Requer geração cuidadosa de nonce (RNG fraco = chave comprometida)
• Variante determinística (RFC 6979) recomendada

Ed25519

• Determinístico (não requer RNG)
• Geração e verificação rápida de assinatura
• Assinaturas pequenas (64 bytes)
• Resistente a ataques de canal lateral

Protocolos Modernos

Signal Protocol

Protocolo de criptografia ponta a ponta de última geração usado pelo Signal, WhatsApp, Facebook Messenger.

Características Principais

• Double Ratchet: Atualiza continuamente as chaves
• Perfect Forward Secrecy: Mensagens passadas permanecem seguras
• Post-Compromise Security: Recupera-se de comprometimento de chave
• Assíncrono: Funciona mesmo quando o destinatário está offline

TLS 1.3

Versão mais recente do protocolo Transport Layer Security.

Melhorias

• Removidos algoritmos fracos e conjuntos de cifras
• Sempre fornece sigilo futuro
• Handshake mais rápido (1-RTT, opção 0-RTT)
• Server Hello criptografado

Noise Protocol Framework

Framework de protocolo criptográfico moderno para construir sistemas de comunicação seguros.

Aplicações

• WireGuard VPN
• Lightning Network
• Mensagens I2P

Criptografia Pós-Quântica

A Ameaça

Computadores quânticos podem quebrar RSA e ECC usando o algoritmo de Shor. Algoritmos simétricos são menos afetados, mas requerem chaves maiores.

Candidatos Pós-Quânticos do NIST

• Kyber: Encapsulamento de chave baseado em reticulado
• Dilithium: Assinaturas digitais baseadas em reticulado
• SPHINCS+: Assinaturas baseadas em hash

Estratégia de Transição

• Abordagem híbrida: Combinar algoritmos clássicos e pós-quânticos
• Aumentar tamanhos de chave simétrica para 256 bits
• Monitorar processo de padronização do NIST
• Planejar agilidade de algoritmo

Melhores Práticas de Implementação

Não Crie Sua Própria Criptografia

Use bibliotecas estabelecidas e revisadas por pares:

• libsodium: Alto nível, fácil de usar
• OpenSSL: Abrangente, amplamente suportado
• BoringSSL: Fork do OpenSSL do Google
• Ring: Biblioteca de criptografia Rust

Gerenciamento de Chaves

• Use módulos de segurança de hardware (HSMs) para chaves críticas
• Implemente políticas de rotação de chaves
• Nunca codifique chaves diretamente no código-fonte
• Use derivação de chaves para múltiplos propósitos
• Exclua chaves da memória com segurança após o uso

Geração Segura de Números Aleatórios

• Use RNG criptograficamente seguro (CSPRNG)
• Nunca use funções rand() padrão
• RNGs do sistema operacional: /dev/urandom (Linux), CryptGenRandom (Windows)
• Específicos da linguagem: crypto.randomBytes (Node.js), módulo secrets (Python)

Prevenção de Ataques de Temporização

• Use comparação em tempo constante para segredos
• Evite ramificação baseada em dados secretos
• Esteja ciente de ataques de temporização de cache
• Use bibliotecas projetadas com resistência a ataques de temporização

Testes e Validação

Auditorias de Segurança

• Testes de penetração regulares
• Revisões de código por especialistas em segurança
• Auditorias de segurança de terceiros
• Programas de recompensa por bugs

Conformidade

• FIPS 140-2/3: Padrão do governo dos EUA
• Common Criteria: Certificação de segurança internacional
• PCI DSS: Requisitos da indústria de cartões de pagamento

Recursos para Aprendizado Adicional

Livros

• "Cryptography Engineering" de Ferguson, Schneier e Kohno
• "Serious Cryptography" de Jean-Philippe Aumasson
• "Applied Cryptography" de Bruce Schneier

Recursos Online

• Cryptopals Crypto Challenges
• Cursos de Criptografia de Stanford (Coursera)
• IACR ePrint Archive
• Crypto Stack Exchange