AES (Advanced Encryption Standard) — это симметричный алгоритм шифрования, который используется для обеспечения безопасности информации. Он был разработан американскими учеными в 2001 году и с тех пор стал одним из самых популярных шифров в мире.
Принцип работы AES основан на преобразовании данных с использованием ключа шифрования. Этот алгоритм состоит из нескольких этапов, каждый из которых выполняет определенную функцию для обеспечения максимальной защиты данных.
Первым этапом шифрования AES является подготовка ключа шифрования. Ключ должен быть определенной длины, которая может быть 128, 192 или 256 бит. Затем ключ разбивается на несколько раундовых ключей, которые будут использоваться на каждом этапе шифрования.
Далее происходит основной этап шифрования, который состоит из нескольких раундов. Каждый раунд включает в себя подстановку байтов, перемешивание байтов, смешение столбцов и сдвиг строк. Эти операции выполняются с использованием раундовых ключей, полученных на предыдущем этапе.
После завершения всех раундов происходит финальная операция — смешивание байтов и добавление последнего раундового ключа. В результате получается зашифрованный блок данных.
Расшифрование данных происходит в обратной последовательности, применяя обратные операции к зашифрованным данным с использованием раундовых ключей.
В итоге AES шифр обеспечивает надежную защиту данных, делая их почти неподверженными взлому. Этот алгоритм широко используется во многих сферах, включая банковское дело, коммерцию, мобильные приложения и многое другое.
Что такое AES и как он шифрует данные?
Основная цель AES — обеспечить безопасность данных путем преобразования обычного текста в непонятный вид, который невозможно восстановить без знания секретного ключа. AES использует блочное шифрование, то есть разбивает данные на блоки фиксированной длины и применяет к каждому блоку преобразование с использованием ключа.
Алгоритм шифрования AES содержит несколько этапов:
- Шаг 1: Генерация подключей — на этом этапе из секретного ключа генерируется несколько раундовых подключей, которые будут использоваться в последующих этапах.
- Шаг 2: Начальное преобразование — каждый блок данных проходит через начальное преобразование, включающее смешивание битов и добавление раундового ключа.
- Шаг 3: Раунды смешивания и замены — блок данных проходит через несколько раундовых преобразований, включающих замены байтов, смешивание столбцов и циклический сдвиг строк.
- Шаг 4: Завершающее преобразование — на последнем раунде применяются финальные действия, включающие в себя замену байтов и добавление финального раундового ключа.
Таким образом, блок данных проходит через несколько итераций преобразований, которые делают его шифрованным и невосстановимым без знания ключа.
В результате AES обеспечивает высокую степень безопасности данных и широко применяется в различных областях, требующих надежного шифрования, таких как финансовые транзакции, защита личной информации и передача конфиденциальных данных по сети.
Шаг 1: Инициализация ключа шифрования
Процесс шифрования данных с помощью AES начинается с инициализации ключа шифрования. Для этого необходимо выбрать подходящую длину ключа, которая может быть 128, 192 или 256 бит.
Ключ шифрования является секретной информацией и должен быть достаточно длинным и случайным, чтобы обеспечить безопасность шифрования. Обычно ключ формируется с использованием специальных алгоритмов генерации случайных чисел.
Однако ключ шифрования необходимо привести к определенному формату перед использованием в AES. В стандарте AES ключ разбивается на несколько составляющих, таких как ключи раундов шифрования и ключи расширения.
После инициализации ключа все остальные шаги шифрования данных будут выполняться на основе этого ключа. Важно сохранить ключ в безопасном месте и обеспечить его защиту от несанкционированного доступа.
Шаг 2: Шифрование данных блоками
На втором этапе процесса AES шифрования данные разбиваются на блоки фиксированного размера (обычно 128 бит), которые затем обрабатываются независимо друг от друга.
Вначале каждый блок данных проходит через начальное преобразование, называемое «AddRoundKey». На этом этапе происходит применение ключа шифрования к блоку данных путем побитовой операции XOR. Это позволяет комбинировать информацию в блоке с уникальным ключом, что обеспечивает криптографическую стойкость.
Затем следует серия последовательных раундов, каждый из которых состоит из трех основных операций: SubBytes, ShiftRows и MixColumns.
- SubBytes: В этой операции каждый байт блока данных заменяется на соответствующий байт таблицы замены S-Box. Это нелинейное преобразование обеспечивает дополнительную стойкость шифра.
- ShiftRows: Здесь каждая строка блока данных циклически сдвигается на фиксированное количество позиций. Это перемешивает байты в каждом столбце и создает дополнительную сложность для восстановления исходных данных.
- MixColumns: В этой операции каждый столбец блока данных перемешивается с помощью предопределенной матрицы умножения. Это линейное преобразование обеспечивает распространение изменений по всему блоку и усиливает криптографическую стойкость.
После завершения раундов происходит финальное преобразование, состоящее из операции SubBytes и AddRoundKey, а затем блок данных считается зашифрованным.
После шифрования одного блока данных процесс повторяется для оставшихся блоков до тех пор, пока все данные не будут зашифрованы.
Шаг 3: Подстановка байтов и замена
На третьем шаге алгоритма AES происходит подстановка и замена байтов. Это важный этап, который позволяет достичь стойкости шифра и разнообразия зашифрованных данных.
На этом этапе используется нелинейная функция замены SubBytes, которая заменяет каждый байт в состоянии на другой байт из фиксированной таблицы замены, называемой S-блоком.
| Исходное состояние | Результат |
|---|---|
| 0x32 | 0x88 |
| 0x05 | 0x5f |
| 0xff | 0x0e |
| 0x3c | 0x8d |
Подстановка байтов происходит над каждым байтом состояния матрицы (4×4), а затем полученная матрица используется для следующего шага алгоритма.
Шаг 4: Смешивание столбцов и преобразование
На четвертом шаге AES шифра производится смешивание столбцов и преобразование состояния блока данных.
Смешивание столбцов осуществляется путем умножения матрицы состояния на заданную матрицу в Galois Field. Это преобразование направлено на увеличение «сложности» блока данных.
Затем происходит преобразование состояния блока данных, которое включает в себя такие операции, как замена байтов, циклический сдвиг строк и комбинированные операции над столбцами состояния. Эти операции выполняются в цикле для каждого раунда шифрования.
Этот шаг шифрования AES играет важную роль в обеспечении надежной защиты данных и поддержании криптографической стойкости алгоритма.
Шаг 5: Расширение ключа и дополнение данных
На пятом шаге AES шифр расширяет исходный ключ путем генерации дополнительных подблоков ключа. Для этого применяется операция подстановки и сдвигов, которая повторяется до получения необходимой длины ключа. Расширение ключа обеспечивает более надежную защиту данных и устойчивость шифра к атакам.
Также на этом шаге выполняется дополнение данных, чтобы длина блока данных стала кратной размеру ключа. Дополнение выполняется путем добавления недостающих байтов или байтов со специальными значениями. Это позволяет обеспечить правильную работу алгоритма шифрования и предотвратить потерю информации.
Операция расширения ключа и дополнения данных обеспечивает корректную и безопасную работу AES шифра, позволяя обрабатывать произвольные блоки данных и гарантировать их защиту от несанкционированного доступа.
| Шаг | Описание |
|---|---|
| 1 | Расширение ключа |
| 2 | Дополнение данных |
Шаг 6: Финальные операции и расшифровка
На этом шаге завершается процесс работы AES шифра. После выполнения всех раундовых операций происходят финальные операции, включающие в себя инвертирование подстановки байт, инвертирование сдвига строк и инвертирование линейного преобразования.
Первой операцией является инвертирование подстановки байт, которое осуществляется путем применения обратной таблицы S-бокса к каждому байту состояния. Это позволяет восстановить исходные данные из зашифрованного состояния.
Затем происходит инвертирование сдвига строк, которое осуществляется сдвигом строк матрицы состояния в обратном направлении. Данный шаг помогает вернуть матрицу состояния к начальному состоянию до применения сдвига строк на первом шаге шифрования.
Наконец, осуществляется инвертирование линейного преобразования. Для него применяется обратная матрица к матрице линейного преобразования. Это позволяет вернуть матрицу состояния к ее исходному значению до применения линейного преобразования.
После выполнения финальных операций получаем исходное открытое сообщение. Для расшифровки шифрованного сообщения с использованием AES шифра может использоваться такой же алгоритм, только с применением обратных операций. Это обеспечивает полную симметрию между процессом шифрования и расшифровки.