Encripción de Bases de Datos

Hoy en día es muy importante tomar medidas de seguridad, para mantener la 
confidencialidad e integridad de nuestra información. La mayor parte de la 
información se encuentra almacenada en Bases de Datos, la cual se encuentra en texto 
claro, por lo que están expuestos a cualquier ataque.
A continuación presentamos un esquema de encripción que podría ayudarnos 
a mantener las bases de datos seguras. Para entender la idea de este esquema, 
explicaremos algunas definiciones y conceptos que nos ayudaran.
Empezamos dando una breve definición de que es una Base de datos. Una 
Base de datos es un conjunto autodescriptivo de registros integrados. Es decir,  
además de los datos fuente de la información contiene también una descripción de su 
propia estructura. Tal descripción conocida como diccionario de datos. El diccionario 
de datos hace posible la independencia entre el programa y los datos.
Ahora bien, al  hablar de encripción de Bases de datos, tenemos que 
considerar el DBMS (Sistema Manejador de Bases de Datos) el cual es un Software 
que controla la organización, almacenamiento, recuperación, seguridad e integridad 
de los datos en una base de datos. Ya hablaremos mas delante de la importancia del 
DBMS.
Para poder entender la idea principal de este trabajo, "Encripción de Bases de 
Datos", necesitamos también conocer que es encripción y esto va unido a la 
definición de criptología.
Criptología.- Ciencia que estudia los aspectos y contenidos de información en 
condiciones de secrecía.
La criptología se divide en:
Criptografía.- Es el conjunto de técnicas o procedimientos que alteran los 
símbolos de información sin alterar el contenido, convirtiendo a la información 
modificada en un conjunto de símbolos sin contenido para las partes que no disponen 
de las técnicas
Criptoanálisis.- Metodologías y técnicas que permiten recuperar la 
información que ha sido previamente tratada por un procedimiento criptográfico, sin 
conocer "a priori" la técnica utilizada para la criptografía.

El cifrado es un método secreto de escritura, por medio del cual un texto plano 
es transformado en un texto cifrado, algunas veces llamado criptograma. El proceso 
de transformación del texto claro en un texto cifrado es llamado encripción, el 
proceso inverso es llamado decripción.

Existen diferentes métodos para garantizar la seguridad de una base de datos, 
pero ninguno por si solo nos puede garantizar un 100%, tanto de  la confidencialidad 
como de la  integridad de la base de datos. Es necesario combinar varios mecanismos 
para lograr la seguridad deseada.
Ejemplos de métodos de seguridad para mantener protegida una base de datos
Seguridad física
Sistemas de autenticación
Encripción

Ninguno de los dos primeros métodos mantienen la seguridad de los datos, ya 
que estos existen en texto claro en la base de datos. Este problema podría resolverse 
sí encriptamos los datos. Pero la encripción por si sola tampoco asegura la integridad  
y autenticidad de los datos, por lo que tenemos que combinar los varios métodos y 
mecanismos de seguridad para mantener la privacía de una base de datos.
En este punto nos damos cuenta de la utilidad que tendría la encripción de 
bases de datos, que es un complemento a los mecanismos ya existentes para mantener 
la confidencialidad de los datos.
 Para lograr la seguridad de las bases de datos debemos de tomar en cuenta  
las siguientes características de las medidas de seguridad.
1.- Ninguna persona o grupo de personas deben ser capaces de leer, escribir, 
destruir, o modificar datos directamente de una manera no autorizada.
2.- Para cualquier persona o grupo de personas, debe ser imposible inferir el 
valor de cualquier objeto dato por manipulación directo o computacional sobre los 
datos.
3.- Los mecanismos de seguridad pueden ser flexibles. Los usuarios podrán 
ser habilitados para poseer privilegios de lectura y escritura en cualquier combinación 
de acuerdo a sus obligaciones y necesidades.
4.- Los mecanismos de seguridad no deben degradar el desempeño de las 
operaciones básicas de la base de datos.
5.- La accesibilidad del sistema debe ser reducida.
6.- No debería haber un aumento grande en el almacenamiento de datos.
7.- El costo debería ser razonable.

Debemos de saber que en un sistema de bases de datos, un componente 
esencial e importante es el DBMS. El DBMS es la primera línea de defensa en 
contraste con los usuarios.
El DBMS conoce que datos son manipulados. Incluso un usuario puede ser 
impedido eficientemente para obtener datos a través de un canal permitido, El DBMS 
puede filtrar datos en forma natural por omisión o subversión. Entradas falsas o 
actualizaciones pueden ser hechas por cualquier penetración al DBMS. Si los datos no 
están en forma legible, obtener los datos no les servirá de nada a personas que no 
sean propietarias de una llave para decriptar. Como podemos darnos cuenta aquí es 
donde la encripción nos ayuda a impedir que los datos este de forma legible.
El problema de la autenticidad de datos también puede ser resuelto con la 
encripción. Un atacante no conoce como sé encriptó, por lo tanto será imposible crear 
registros que parezcan legítimos cuando sea decriptado por un usuario legitimo.

Ahora que ya se comprendió la necesidad del uso de encripción de bases de 
datos, mostraremos las características de un sistema de encripción de Base de Datos.
1.- El sistema de encripción debe ser teóricamente seguro o requerir un trabajo 
extremadamente alto para romperlo. Esto es imposible de garantizar. 
2.-  La encripción y la decripción deben ser suficientemente rápidos, no es 
aceptable degradar el desempeño del sistema. Para bases de datos, es muy importante 
la decripción ya que será hecho con mas frecuencia .
3.- La encripción de los datos no debe tener significativamente mas volumen 
que los datos decriptados.


4- La encripción de datos debe ser orientado a registros. Donde una base de 
datos, es relacional, red o jerárquica, u orientada a campos, la unidad básica de la 
información para localizarla es el registro. Debe ser posible el desempeño de la 
encripción y decripción sobre un solo registro sin considerar una posición física o 
lógica en la base de datos esta propiedad es requerida para que pueda ser determinado 
por observación que la posición de un registro puede ser cambiada, y si esto llega a 
pasar, no debe haber la necesidad de decriptar n-1 registros sin desear estos registros 
en orden para decriptar el n registro en secuencia. Así debemos eliminar el flujo 
cifrado.
5.- La encripción debe soportar la lógica del enfoque del subesquema para 
bases de datos.  El DBMS presenta a un usuario solo los campos, que ha solicitado y 
sobre todo solo sobre a los que tiene acceso. El sistema de encripción debe impedir 
que si un atacante obtiene partes del registro ilegítimamente, el atacante debe de ser 
incapaz de usarlos. 
6.- Un registro encriptado no debe consistir de una serie de campos 
encriptados individualmente. Mas bien un registro encriptado debe ser un valor 
encriptado individualmente el cual es una función de todos los campos. Esto previene 
dos cosas: la comparación de patrones y la substitución de valores encriptados.
7.- El esquema de encripción debe ser tan flexible como sea posible estimando 
las combinaciones de privilegios de escritura y lectura los cuales pueden ser 
concedidos y las condiciones bajo las cuales pueden leer y escribir. Idealmente esto 
debería ser posible para dar a cada usuario privilegios de lectura y escritura por cada 
campo. Todo usuario o un grupo de usuarios debería ser incapaz de obtener derechos 
no permitidos.
8.- Idealmente, el DBMS deberá poder detectar y rechazar registros los cuales 
fueron creados o modificados bajo una falsa llave de encripción sin ser capaz de 
determinar que datos son. En cualquier evento el esquema de encripción deberá ser 
como un usuario legítimo, sobre la encripción podrá identificar un registro falso. En 
otras palabras cada registro deberá contener alguna forma de firma digital la cual 
llegara a ser apreciable cuando el registro sea decriptado.
9.- El DBMS no deberá ser forzado por el sistema de encripción a guardar 
copias duplicadas de objetos de datos en orden para permitir el subesquema ser 
presentado.
10.- Los registros probablemente serán construidos sobre un periodo de 
tiempo, esto deberá ser posible recuperar información de registros parcialmente 
completos en una forma igual, esto es recuperado de registros llenos.

Propuesta Anterior
Existe una propuesta de un esquema de encripción de bases de datos la cual 
propone lo siguiente:
Un esquema de encripción orientado a registro en el cual un registro 
encriptado es una función individual de todos los valores de estos campos, y en los 
cuales cada campo separado es encriptado/decriptado por llaves separadas. 
Podemos llamar a cada esquema un sistema de encripción usando subllaves. 
Las llaves son subllaves en el sentido que mientras la encripción de registros es una 
función de todas las llaves de encripción y los valores de los campos, cada llave de 
decripción decriptará solo un subconjunto de campos del registro original.
Esto puede ser descrito matemáticamente como
Ci = E ((e1,f1i),(e2,f2i),...,(en,fni))
Fij=D(di,Ci),
 
Donde fij es el valor del campo j y el registro i; ej, la llave de encripción  para 
el campo j; dj, la llave de decripción por cada campo j; Ci, la versión encriptada del 
registro i; E, el algoritmo de encripción; y D, el algoritmo de decripción.
E,D y Ci se asume que son conocidos por todos, donde ej y dj son conocidos 
solo por usuarios que tienen los privilegios correspondientes, el DBMS no tienen 
estos. Fji son los datos a proteger. Además ej y dj solo son conocidos por los usuarios 
que tienen privilegios sobre esos campos.

Nuestra Propuesta
Nuestra propuesta presenta algunas variantes al esquema anterior, pero las 
podemos mencionar en tres puntos:
1.- Nos enfocaremos al modelo relacional ya que es él mas utilizado en el 
modelado de Bases de Datos.
2.- Cambiaremos el esquema de encripción de subllaves a encripción 
simétrica, utilizando el algoritmo AES.
3.- Actualmente en varios DBMS los privilegios son administrados algún un 
modelo de autorización basado en el sistema R, mediante el cual se asignan 
privilegios. Por lo que en nuestro es quema utilizaremos este sistema para la 
administración de privilegios, en vez de un conjunto de llaves.

Nosotros proponemos encriptar el registro como un todo, sin separaciones 
entre campo y campo. Con una sola llave de encripción/decripción que será elegida 
por el propietario o administrador  de la base de datos. A diferencia del esquema 
anterior este algoritmo es más sencillo en cuanto a su  administración y diseño por 
que solo existe una llave, además de ser mas seguro y rápido.
Ahora surge la pregunta de ¿cómo administrar los privilegios?, bueno alguno 
DBMS ya cuentan con un Modelo de Autorización basado en el sistema R. Mediante 
el cual se puede hacer cualquier combinación y asignación de privilegios, ya sea por 
campo, tabla, host, o base de datos. Además que a cada usuario se le asigna un 
password. Por lo tanto para que un atacante tuviera acceso a los datos, tendría que 
obtener la llave de encripción/decripción y el password del usuario, y ambas se 
encuentran almacenadas de forma encriptada. Tomando en cuenta también que 
nuestros sistemas de bases de datos cuenta con  mas mecanismos de seguridad para 
asegurar la autentificacion y confidencialidad, Complementando así la seguridad de 
nuestra base de datos.

Modelo Relacional
La ventaja del modelo relacional es que los datos se almacenan, al menos 
conceptualmente, de un modo en el que los usuarios entienden con más facilidad. Los 
datos se almacenan como tablas y las relaciones entre las filas y las tablas son visibles 
en los datos. A diferencia de los sistemas anteriores este enfoque permite a los 
usuarios obtener información de las bases de datos sin asistencia de sistemas 
profesionales de administración de información.
Modelo de Autorización de una base de datos Relacional.
Este modelo esta basado en el sistema R, que maneja dos tipos de relaciones.
Donde se asigna los privilegios de un usuario o grupo de usuarios sobre una 
tabla o una vista.
Y la segunda, se le asigna que conjuntos de campos abarcan los privilegios 
especificados en la primera relación.

Ventajas principales de la encripción con AES
Rijndael es una iteración de bloque cifrado con un tamaño de bloque y llave 
variable. 
La llave puede tener  un tamaño  de 128,192 o 256.
No usa otros componentes criptográficos.
No tiene partes obscuras y  cosas difíciles de entender entre operaciones 
aritméticas.
No deja espacio suficiente para esconder un trapdoor.
Modo encripción en bloque ECB.
Resistencia contra todos los ataques conocidos
Velocidad y código compacto en una gran variedad de plataformas
Simplicidad de diseño