AES (Advanced Encryption Standard, или Стандарт шифрования данных) — это симметричный алгоритм шифрования, принятый в 2001 году Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST) как стандарт для защиты конфиденциальной информации. Он широко используется в современных системах безопасности, включая VPN, SSL/TLS, шифрование дисков и многие другие приложения.
Что такое AES?
AES — это блоковый шифр, который шифрует данные фиксированными блоками по 128 бит (16 байт). Он использует один и тот же ключ для шифрования и расшифрования данных, что делает его симметричным алгоритмом. AES заменил устаревший стандарт DES (Data Encryption Standard), который имел меньшую длину ключа и был уязвим к атакам из-за развития вычислительных технологий.
AES был разработан бельгийскими криптографами Жоаном Дайменом и Винсентом Рийменом и изначально назывался алгоритмом Rijndael. В 1997 году NIST объявил конкурс на новый стандарт шифрования, и в 2001 году Rijndael был выбран как AES благодаря своей безопасности, производительности и гибкости.
Основные характеристики AES
- Размер блока данных: Всегда 128 бит (16 байт).
- Длина ключа: AES поддерживает три длины ключа:
- AES-128: 128-битный ключ (16 байт).
- AES-192: 192-битный ключ (24 байта).
- AES-256: 256-битный ключ (32 байта). Чем длиннее ключ, тем выше уровень безопасности, но и больше вычислительных ресурсов требуется.
- Тип шифрования: Симметричное (один ключ для шифрования и расшифрования).
- Количество раундов:
- AES-128: 10 раундов.
- AES-192: 12 раундов.
- AES-256: 14 раундов. Каждый раунд включает несколько преобразований для повышения стойкости шифра.
Как работает AES?
AES шифрует данные, разбивая их на блоки по 128 бит, и применяет к каждому блоку серию преобразований. Эти преобразования выполняются в несколько раундов, зависящих от длины ключа. Алгоритм состоит из четырех основных операций, которые повторяются в каждом раунде (кроме последнего):
Шаги шифрования
- SubBytes (Подстановка байтов):
- Каждый байт блока заменяется другим байтом в соответствии с заранее определенной таблицей подстановки (S-box). Это нелинейное преобразование повышает устойчивость к криптоанализу.
- ShiftRows (Сдвиг строк):
- Строки в блоке данных (представленном как матрица 4x4 байта) циклически сдвигаются влево на разное количество позиций:
- 1-я строка: без сдвига.
- 2-я строка: сдвиг на 1 байт.
- 3-я строка: сдвиг на 2 байта.
- 4-я строка: сдвиг на 3 байта.
- MixColumns (Смешивание столбцов):
- Каждый столбец матрицы подвергается линейному преобразованию, основанному на умножении в поле Галуа. Это обеспечивает диффузию, усложняя связь между входными и выходными данными.
- AddRoundKey (Добавление ключа раунда):
- К блоку данных применяется побитовая операция XOR с ключом текущего раунда. Ключи для каждого раунда генерируются из основного ключа с помощью процедуры расширения ключа (Key Expansion).
Процесс шифрования
- Инициализация: Входной блок данных комбинируется с начальным ключом (операция AddRoundKey).
- Раунды: Для каждого раунда (кроме последнего) выполняются шаги SubBytes, ShiftRows, MixColumns и AddRoundKey.
- Последний раунд: Пропускается шаг MixColumns, чтобы упростить процесс расшифрования.
- Выход: Зашифрованный блок данных.
Расшифрование
Расшифрование выполняется в обратном порядке с использованием обратных операций (InvSubBytes, InvShiftRows, InvMixColumns) и тех же раундовых ключей. Это делает AES эффективным для двунаправленного использования.
Расширение ключа (Key Expansion)
Перед началом шифрования AES генерирует набор раундовых ключей из основного ключа. Процесс включает:
- Разбиение ключа на слова (32-битные куски).
- Применение преобразований (включая S-box и константы) для создания новых слов.
- Итеративное формирование ключей для всех раундов.
Режимы работы AES
AES как блоковый шифр требует выбора режима работы, чтобы шифровать данные длиннее 128 бит или обрабатывать потоки данных. Основные режимы:
- ECB (Electronic Codebook):
- Каждый блок шифруется независимо. Прост, но небезопасен, так как одинаковые блоки открытого текста дают одинаковые зашифрованные блоки.
- CBC (Cipher Block Chaining):
- Каждый блок XOR-ится с предыдущим зашифрованным блоком перед шифрованием. Требуется инициализирующий вектор (IV). Более безопасен, чем ECB.
- CTR (Counter):
- Превращает блоковый шифр в потоковый. Использует счетчик, комбинируемый с ключом. Поддерживает параллельное шифрование.
- GCM (Galois/Counter Mode):
- Комбинирует CTR с аутентификацией данных. Используется в TLS для обеспечения конфиденциальности и целостности.
- CFB (Cipher Feedback) и OFB (Output Feedback):
- Преобразуют AES в потоковый шифр, подходящий для данных, передаваемых в реальном времени.
Безопасность AES
AES считается одним из самых безопасных алгоритмов шифрования. Его стойкость обусловлена:
- Длинными ключами (128, 192 или 256 бит), которые делают атаки полного перебора практически невозможными.
- Сложной структурой преобразований, устойчивой к дифференциальному и линейному криптоанализу.
- Открытым процессом разработки, что позволило криптографам тщательно проверить алгоритм.
Известные атаки
- Атака на связанные ключи (Related-Key Attack): Возможна только для AES-256 и AES-192 в теоретических условиях, когда атакующий имеет доступ к связанным ключам. На практике нереализуема.
- Квантовая угроза: Квантовый алгоритм Гровера может теоретически сократить время перебора ключа вдвое, но даже с этим AES-256 остается безопасным.
NIST и криптографическое сообщество продолжают считать AES надежным для долгосрочного использования.
Применение AES
AES используется повсеместно благодаря своей безопасности и эффективности:
- Шифрование данных: BitLocker, FileVault, VeraCrypt для шифрования дисков.
- Сетевые протоколы: SSL/TLS (HTTPS), VPN (IPsec, OpenVPN), SSH.
- Облачные сервисы: Шифрование данных в AWS, Google Cloud, Azure.
- Мессенджеры: WhatsApp, Signal используют AES для защиты сообщений.
- Аппаратное шифрование: Процессоры Intel и AMD поддерживают инструкции AES-NI для ускорения шифрования.
Преимущества и недостатки
Преимущества
- Высокая безопасность при правильной реализации.
- Быстрая работа на современных процессорах, особенно с поддержкой AES-NI.
- Гибкость: поддержка разных длин ключей и режимов работы.
- Открытый стандарт, проверенный криптографами.
Недостатки
- Симметричность требует безопасного обмена ключами.
- Неправильный выбор режима (например, ECB) может снизить безопасность.
- Требует больше вычислений для длинных ключей (AES-256).
Интересные факты
- Название Rijndael происходит от имен создателей: Жоан Даймен (Daemen) и Винсент Риймен (Rijmen).
- AES был первым алгоритмом, одобренным АНБ США для защиты секретной информации уровня Top Secret (при использовании AES-256).
- Алгоритм Rijndael изначально поддерживал разные размеры блоков (128, 192, 256 бит), но AES стандартизировал только 128-битные блоки.
Заключение
AES — это мощный, надежный и универсальный алгоритм шифрования, который стал основой современной криптографии. Его безопасность, эффективность и широкая поддержка делают его стандартом де-факто для защиты данных. Однако для максимальной безопасности важно правильно выбирать режим работы и обеспечивать защиту ключей.
| 