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Clase 051 — Funciones hash: SHA-2, SHA-3 y sus propiedades

Parte: 2 — Criptografía aplicada · Fuente: Serious Cryptography (Aumasson) y NIST FIPS 180-4 / FIPS 202 ⏱️ Duración estimada: 90 min · Nivel: Intermedio

🎯 Objetivo

Comprender qué es una función hash criptográfica, qué tres propiedades debe cumplir (resistencia a preimagen, segunda preimagen y colisión), por qué MD5 y SHA-1 están rotos, y en qué se diferencian SHA-2, SHA-3 (Keccak) y BLAKE2/3. El alumno aprenderá para qué sirven realmente los hashes y para qué no (no cifran, no protegen contraseñas por sí solos).

📚 Resultados de aprendizaje

Al finalizar, el alumno podrá:

Definir las propiedades de seguridad de una función hash.
Explicar por qué MD5 y SHA-1 no deben usarse (colisiones prácticas).
Calcular hashes con distintas familias y comparar salidas.
Diferenciar la construcción Merkle-Damgård (SHA-2) de la esponja (SHA-3).
Identificar el ataque de extensión de longitud y cómo evitarlo.

🗺️ Temas

#	Tema	Por qué importa
1	Qué es y qué no es un hash	Evita malentendidos frecuentes
2	Propiedades (preimagen, colisión)	Definen su seguridad
3	Efecto avalancha	Un bit cambia toda la salida
4	MD5 y SHA-1 rotos	Lección de obsolescencia
5	SHA-2 y Merkle-Damgård	Estándar dominante
6	SHA-3 (esponja) y BLAKE	Alternativas modernas
7	Extensión de longitud	Trampa de diseño

📖 Definiciones y características

Función hash criptográfica: transforma una entrada arbitraria en una salida fija (digest). Característica: determinista, rápida, unidireccional.
Resistencia a preimagen: dado h, es inviable hallar m con hash(m)=h.
Resistencia a segunda preimagen: dado m1, es inviable hallar m2≠m1 con igual hash.
Resistencia a colisiones: es inviable hallar cualquier par m1≠m2 con igual hash (limitada por el cumpleaños: ~2^(n/2)).
Efecto avalancha: un cambio mínimo en la entrada altera drásticamente la salida.
SHA-2: familia (SHA-256/384/512) con construcción Merkle-Damgård. Segura y ubicua.
SHA-3 / Keccak: construcción de esponja, inmune a extensión de longitud. BLAKE2/3: rápidas y modernas.

🧰 Herramientas y preparación

openssl version
sha256sum --version 2>/dev/null || echo "usa openssl dgst"
pip install cryptography

Todo local. Los hashes se calculan sobre datos propios.

🧪 Laboratorio guiado

Calcula hashes de una cadena con varias familias:

bash echo -n "hola" | openssl dgst -md5 echo -n "hola" | openssl dgst -sha1 echo -n "hola" | openssl dgst -sha256 echo -n "hola" | openssl dgst -sha3-256

Efecto avalancha: cambia una letra (hola → Hola) y compara el SHA-256; observa que casi todos los bits cambian.
Colisión de MD5 (histórica). Descarga los famosos bloques de colisión de MD5 (p. ej. los PDF de Marc Stevens) y verifica con md5sum que dos archivos distintos comparten hash. Nunca uses MD5 para integridad.
Integridad de archivos: genera sha256sum *.iso > SHA256SUMS y verifica con sha256sum -c SHA256SUMS.
Extensión de longitud (concepto). Explica por qué hash(clave || mensaje) con SHA-256 es vulnerable a extensión y por qué HMAC (clase 052) lo resuelve.

✍️ Ejercicios

Calcula cuántos hashes necesitas para una colisión al 50 % en SHA-256 (paradoja del cumpleaños).
Verifica la integridad de una descarga comparando su SHA-256 publicado.
Explica por qué un hash no sirve para cifrar (no es reversible ni tiene clave).
Compara la velocidad de SHA-256, SHA3-256 y BLAKE2b en tu máquina.
Investiga el ataque SHAttered contra SHA-1 y su impacto en Git.
Diseña un esquema de "prueba de descarga" con árbol de Merkle.

📝 Reto verificable

Construye un verificador de integridad que, dado un directorio, genere un manifiesto con el SHA-256 de cada archivo y luego detecte cualquier alteración. Criterio de aceptación: si modificas un solo byte de cualquier archivo, tu verificador lo reporta indicando la ruta afectada.

⚠️ Errores comunes

Síntoma / mensaje	Causa y cómo arreglar
Usar MD5/SHA-1 para integridad de seguridad	Rotos; migra a SHA-256/SHA-3
"Ciframos con SHA-256"	Un hash no cifra; usa AES/ChaCha20
`hash(clave\\|\\|msg)` como MAC	Vulnerable a extensión; usa HMAC
Hash de contraseña con SHA-256 simple	Demasiado rápido; usa Argon2/bcrypt (clase 057)
Comparar hashes con `==` en contexto sensible	Riesgo de timing; usa comparación constante

❓ Preguntas frecuentes

❓ ¿SHA-256 o SHA-3? Ambos son seguros. SHA-3 aporta diversidad de diseño e inmunidad a extensión de longitud; SHA-2 sigue siendo perfectamente válido.

❓ ¿Un hash garantiza que nadie modificó el archivo? Solo si el hash se obtuvo por un canal confiable; si el atacante controla ambos, puede sustituirlos. Combínalo con firmas.

❓ ¿Por qué las colisiones importan si "es improbable"? Porque atacantes las fabrican intencionadamente (SHAttered); afectan firmas y control de versiones.

🔗 Referencias

NIST FIPS 180-4 (SHA-2) — https://csrc.nist.gov/publications/detail/fips/180/4/final
NIST FIPS 202 (SHA-3) — https://csrc.nist.gov/publications/detail/fips/202/final
Aumasson, Serious Cryptography, cap. 6–7.
Stevens et al., "SHAttered" — https://shattered.io/

📥 Material descargable

📄 Guía en PDF — versión imprimible de esta clase.
🎞️ Presentación (PPTX) — deck para proyectar en clase.

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