Advanced Encryption Standard (AES), или стандарт передового шифрования, является одним из самых популярных алгоритмов симметричного шифрования. AES применяется для защиты конфиденциальности данных во многих сферах, включая финансы, телекоммуникации и компьютерную безопасность. В этой статье мы рассмотрим принцип работы алгоритма AES step-by-step – пошаговая инструкция, которая поможет понять его основы.
Первый шаг в работе алгоритма AES – разделение входного сообщения на блоки размером 128 бит. Каждый блок состоит из 16 байт и представляет собой матрицу 4×4. Эти блоки затем поочередно обрабатываются алгоритмом. Сам алгоритм AES состоит из нескольких раундов, каждый из которых включает в себя операции над матрицами байтов.
В каждом раунде алгоритма AES применяются следующие стадии: SubBytes, ShiftRows, MixColumns и AddRoundKey. На первом этапе SubBytes каждый байт заменяется на соответствующий байт из S-блока, который представляет собой таблицу замен размером 16×16. Затем, на следующем этапе ShiftRows, байты каждой строки сдвигаются циклически влево на определенное количество позиций.
Алгоритм AES: все, что нужно знать о его принципе работы
Принцип работы алгоритма AES основан на преобразовании блоков данных фиксированной длины с использованием ключа. Блок данных разделяется на несколько состоящих из 16 байт подблоков, которые в дальнейшем подвергаются циклическим преобразованиям в несколько раундов.
Каждый раунд включает в себя несколько шагов: замену байтов, смешивание колонок и перемешивание строк. Замена байтов основана на замене каждого байта блока данных на соответствующий элемент из S-блока, который представляет собой заданную таблицу замен.
Смешивание колонок заключается в линейном преобразовании столбцов блока данных, которое включает в себя операции умножения и сложения над конечным полем. Перемешивание строк состоит в циклическом сдвиге элементов каждой строки блока данных.
Процесс путем комбинирования описанных шагов проводится несколько раундов в зависимости от длины ключа — 10 раундов для 128-битного ключа, 12 раундов для 192-битного ключа и 14 раундов для 256-битного ключа.
В результате преобразования блок данных, зашифрованный текст генерируется с использованием ключа. Для расшифровки такого текста процедура выполняется в обратной последовательности, причем ключи раундов используются в обратном порядке.
Алгоритм AES отличается высокой стойкостью к различным методам криптоанализа и широко применяется в современных криптографических системах. Его безопасность основана на сложности обратимости преобразований и использовании большой размерности ключей.
Теперь вы знаете, как работает алгоритм AES и каким образом он обеспечивает защиту данных в различных системах.
Ключ и его генерация: шаги алгоритма AES
Шаг 1: Начальный ключ
Первым шагом генерации ключа является получение начального ключа. Длина начального ключа зависит от требуемого уровня безопасности и составляет 128, 192 или 256 бит.
Шаг 2: Расширение ключа
Далее происходит расширение начального ключа до нескольких подключей, которые будут использоваться в различных раундах алгоритма. Расширение ключа основано на так называемом «режиме ключевого расписания».
Шаг 3: Раундовые подключи
На этом шаге ключевое расписание генерирует раундовые подключи, используемые для каждого раунда AES. Количество раундов и, соответственно, количество раундовых подключей зависит от выбранной длины ключа (10 раундов для 128-битного ключа, 12 раундов для 192-битного ключа и 14 раундов для 256-битного ключа).
Шаг 4: Заключительные шаги
Наконец, в последних шагах генерации ключа происходит задание значений для раундовых подключей, используя предыдущие зависимости, что определяет уникальность каждого подключа.
В результате выполнения всех указанных шагов происходит сгенерирование ключа, который будет использоваться для шифрования и дешифрования данных с помощью алгоритма AES. Ключевой фактор безопасности алгоритма AES заключается в надежно сгенерированном ключе и правильных шагах его генерации.
Шифрование первого раунда: основные этапы
Алгоритм AES (Advanced Encryption Standard) работает путем применения нескольких раундов шифрования для достижения высокого уровня безопасности. Каждый раунд состоит из нескольких этапов, и первый раунд имеет свои особенности.
Вот основные этапы шифрования первого раунда AES:
- Добавление первого раундового ключа: в начале каждого раунда производится операция XOR между блоком данных и соответствующим раундовым ключом.
- Байтовая замена: каждый байт в блоке данных заменяется на соответствующий байт из заменительной таблицы S-Box.
- Сдвиг строк: каждая строка в блоке данных циклически сдвигается влево. Первая строка остается без изменений, вторая сдвигается на одну позицию влево, третья — на две, четвертая — на три.
- Смешивание столбцов: каждый столбец в блоке данных перемешивается с помощью умножения на специальную матрицу.
- Добавление раундового ключа: к зашифрованному блоку данных применяется операция XOR соответствующего раундового ключа.
Эти этапы выполняются последовательно для каждого блока данных, и результатом является зашифрованный блок, готовый для обработки следующим раундом.
Преобразование SubBytes: детальный разбор
1. Создание новой матрицы состояния размером 4 × 4, инициализированной нулевыми значениями.
2. Для каждого байта в исходной матрице состояния:
- — Первая половина байта определяет номер строки в S-блоке.
- — Вторая половина байта определяет номер столбца в S-блоке.
- — Находится новое значение байта, используя S-блок для соответствующей строки и столбца. S-блок представляет собой двумерный массив размером 16 × 16, в котором каждый элемент является 8-битным значением.
- — Значение нового байта записывается в соответствующую ячейку новой матрицы состояния.
3. Полученная новая матрица состояния является результатом преобразования SubBytes.
Преобразование SubBytes обеспечивает нелинейность и необратимость алгоритма AES. Оно заменяет каждый байт на новый, основываясь на S-блоке, который является результатом сложного математического преобразования. Это позволяет алгоритму AES обеспечить стойкость к различным атакам.
Преобразование ShiftRows: как происходит перестановка
Подробно преобразование можно описать следующим образом:
- В первой строке матрицы состояния никаких изменений происходить не будет;
- Во второй строке каждый элемент сдвигается на одну позицию влево;
- В третьей строке каждый элемент сдвигается на две позиции влево;
- В четвертой строке каждый элемент сдвигается на три позиции влево.
Процесс перестановки элементов происходит для каждого из 16 байтов состояния. В результате преобразования ShiftRows достигается необходимая степень диффузии, увеличивающая криптостойкость алгоритма AES.
Преобразование MixColumns: обработка столбцов матрицы
Данное преобразование выполняет линейные преобразования над элементами каждого столбца матрицы, используя фиксированную матрицу коэффициентов.
Каждый столбец матрицы обрабатывается независимо. Для каждого столбца вначале осуществляется перемножение соответствующих элементов столбца на фиксированные коэффициенты:
- Элемент в первой строке столбца умножается на 2, элемент во второй строке – на 3, элемент в третьей строке – на 1, элемент в четвёртой строке – на 1.
- Элемент в первой строке столбца умножается на 1, элемент во второй строке – на 2, элемент в третьей строке – на 3, элемент в четвёртой строке – на 1.
- Элемент в первой строке столбца умножается на 1, элемент во второй строке – на 1, элемент в третьей строке – на 2, элемент в четвёртой строке – на 3.
- Элемент в первой строке столбца умножается на 3, элемент во второй строке – на 1, элемент в третьей строке – на 1, элемент в четвёртой строке – на 2.
После этого результаты умножения складываются по модулю 2 с помощью операции XOR.
Таким образом, преобразование MixColumns позволяет достичь нелинейности и расширить поле для алгоритма шифрования AES. Применение данного преобразования внутри раунда алгоритма AES обеспечивает стойкость к различным атакам, включая дифференциальный и линейный анализ.