Дата публикации: 16.06.2025 20:24
Просмотров: 13

Карта Drive от Т-Банка

AES (Advanced Encryption Standard)

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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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:

  1. ECB (Electronic Codebook):
    • Каждый блок шифруется независимо. Прост, но небезопасен, так как одинаковые блоки открытого текста дают одинаковые зашифрованные блоки.
  2. CBC (Cipher Block Chaining):
    • Каждый блок XOR-ится с предыдущим зашифрованным блоком перед шифрованием. Требуется инициализирующий вектор (IV). Более безопасен, чем ECB.
  3. CTR (Counter):
    • Превращает блоковый шифр в потоковый. Использует счетчик, комбинируемый с ключом. Поддерживает параллельное шифрование.
  4. GCM (Galois/Counter Mode):
    • Комбинирует CTR с аутентификацией данных. Используется в TLS для обеспечения конфиденциальности и целостности.
  5. 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.



Нашли ошибку? Сообщите нам!
Материал распространяется по лицензии CC0 1.0 Universal