Criptografia Simétrica (AES, 3DES, ChaCha20, Blowfish)

A criptografia simétrica é o método mais difundido para garantir confidencialidade em volume de dados. Ela emprega uma única chave secreta compartilhada entre emissor e receptor, tanto para cifrar quanto para decifrar. Por essa razão também é chamada de secret-key cryptography ou single-key cryptography. Comparada à criptografia assimétrica, é ordens de magnitude mais rápida (100-1000x), tornando-se a escolha universal para cifragem de tráfego em tempo real.

Abaixo, detalham-se os principais algoritmos simétricos, seus modos de operação e acelerações em hardware.

1. Características Gerais

2. AES (Advanced Encryption Standard)

O AES é o algoritmo simétrico padrão mundial, selecionado pelo NIST em 2001 (FIPS 197) após concurso público vencido por Joan Daemen e Vincent Rijmen com o algoritmo Rijndael. Substituiu o DES, que se tornara inseguro pelo tamanho de chave de 56 bits.

Características do AES

• Tipo: Block Cipher (blocos de 128 bits).
• Tamanhos de chave: 128, 192 ou 256 bits (10, 12 ou 14 rodadas respectivamente).
• Estrutura: rede de substituição-permutação (Substitution-Permutation Network, SPN).
• RFC 3268: uso de AES no TLS (historicamente).
• Status: padrão atual, sem vulnerabilidade criptográfica prática conhecida quando usado em modo seguro (GCM ou CCM).

Operações Internas por Rodada

1. SubBytes: substituição por S-Box não-linear.
2. ShiftRows: permutação de bytes dentro do bloco.
3. MixColumns: mistura por transformação no corpo de Galois GF(2⁸).
4. AddRoundKey: XOR com chave de rodada derivada via key schedule.

Aceleração em Hardware: AES-NI

Os processadores modernos (Intel desde Westmere 2010, AMD desde Bulldozer 2011, ARMv8 Crypto Extensions) implementam o conjunto de instruções AES-NI (AESENC, AESDEC, AESKEYGENASSIST), executando uma rodada AES em 1-2 ciclos de CPU. Isso permite throughput de múltiplos Gbps com baixo consumo, viabilizando HTTPS em massa e VPNs de alto desempenho.

3. 3DES (Triple DES)

O 3DES aplica o algoritmo DES (Data Encryption Standard, FIPS 46-3, 1977) três vezes consecutivas, com chaves distintas, para mitigar o curto tamanho de chave do DES original.

Características do 3DES

• Tamanho de chave efetivo: 168 bits (3 × 56 bits) ou 112 bits no modo 2TDEA (K1=K3).
• Operação: Cifra(Decifra(Cifra)) com 3 chaves (EDE — Encrypt-Decrypt-Encrypt).
• Bloco: 64 bits (herdado do DES).
• Status: obsoleto — NIST SP 800-131A revogou o uso de 3DES para cifragem nova a partir de 2023, devido a ataques Sweet32 (aniversário em bloco de 64 bits) e baixo desempenho.

Tabela Comparativa AES vs 3DES

4. ChaCha20

O ChaCha20 é um stream cipher moderno, criado por Daniel J. Bernstein em 2008, como evolução do Salsa20. Foi padronizado pela RFC 7539 (posteriormente RFC 8439) como algoritmo base do conjunto ChaCha20-Poly1305 adotado pelo Google no TLS (2014) e pelo IETF como alternativa ao AES em software puro.

Características do ChaCha20

• Tipo: Stream Cipher.
• Tamanho de chave: 256 bits.
• Nonce: 96 bits (versão IETF) ou 64 bits (versão original).
• Estrutura: ARX (Add-Rotate-XOR), 20 rodadas (10 duplas).
• Vantagem: performance equivalente ao AES-NI em software puro, sem necessidade de hardware especial — ideal para dispositivos móveis (ARM Cortex-A57 em diante).

Combinado com Poly1305 (AEAD)

O modo ChaCha20-Poly1305 combina o stream cipher com o MAC Poly1305 (também de Bernstein) formando um esquema AEAD (Authenticated Encryption with Associated Data), que garante simultaneamente confidencialidade e integridade. É o algoritmo preferido em TLS 1.3 (RFC 8446), WireGuard, SSH e Signal.

5. Blowfish

O Blowfish é um block cipher criado por Bruce Schneier em 1993, como alternativa livre de patentes ao DES. Apesar de robusto para a época, hoje é considerado legacy por ter bloco de 64 bits (vulnerável a ataques de aniversário em volumes grandes) e ser mais lento que o AES.

Características do Blowfish

• Tipo: Block Cipher (Feistel network).
• Tamanho de chave: variável, 32 a 448 bits.
• Bloco: 64 bits.
• Rodadas: 16.
• Sucessor: Twofish (finalista do AES), também de Schneier.
• Uso moderno: deprecated — substituído por AES ou ChaCha20.

6. Modos de Operação de Block Ciphers

O modo de operação define como o algoritmo cifra múltiplos blocos consecutivos. Alguns modos providenciam apenas confidencialidade; outros são AEAD (confidencialidade + integridade).

Por que evitar ECB?

No modo ECB (Electronic Code Book), blocos idênticos de plaintext geram blocos idênticos de ciphertext, permitindo reconhecer padrões. O famoso experimento "ECB Penguin" demonstra isso cifrando uma imagem do Tux e ainda reconhecendo o contorno.

7. AEAD (Authenticated Encryption with Associated Data)

Modos AEAD cifram o payload e autenticam tanto o ciphertext quanto metadados (cabeçalhos associados), garantindo integridade e origem. São o padrão moderno em TLS 1.3, IPSec, WireGuard e QUIC.

8. Comparativo de Performance

Em servidores x86 modernos (Intel Xeon com AES-NI, OpenSSL 3.x):

9. Boas Práticas

• Nunca usar ECB para dados com padrão (imagens, JSON estruturado).
• Sempre usar IV/nonce aleatório (CBC, CTR, GCM) — jamais reutilizar nonce em GCM ou CTR.
• Priorizar AEAD (AES-GCM ou ChaCha20-Poly1305) — confidencialidade + integridade.
• Evitar 3DES e Blowfish em designs novos (NIST obsoleto desde 2023).
• Habilitar AES-NI em kernel/driver — em Linux, verificar com lscpu | grep aes ou /proc/cpuinfo.
• Rotação periódica de chaves (TLS 1.3 key update RFC 8446 §7.5).
• Gerar chaves via KDF segura (HKDF RFC 5869 ou PBKDF2 RFC 2898).

10. Conclusão

A criptografia simétrica é o workhorse da confidencialidade em redes e sistemas modernos. Entre os algoritmos discutidos, AES domina o cenário corporativo (com AES-NI acelerando em hardware), ChaCha20-Poly1305 ganha espaço em software sem aceleração dedicada (mobile, IoT), enquanto 3DES e Blowfish estão obsoletos e devem ser migrados. A escolha do modo de operação é tão importante quanto o algoritmo em si: modos AEAD (GCM, ChaCha20-Poly1305) são obrigatórios em designs novos, pois garantem simultaneamente confidencialidade e integridade — algo que CBC + HMAC isolados já não são considerados melhores práticas em 2024.