Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 7 марта 2021 года; проверки требуют 28 правок.
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 7 марта 2021 года; проверки требуют 28 правок.
AES (стандарт шифрования)
У этого термина существуют и другие значения, см. AES.
AES (англ.Advanced Encryption Standard; также Rijndael, [rɛindaːl] — рейндал) — симметричный алгоритмблочного шифрования (размер блока 128 бит, ключ 128/192/256 бит), принятый в качестве стандарта шифрованияправительством США по результатам конкурса AES. Этот алгоритм хорошо проанализирован и сейчас широко используется, как это было с его предшественником DES. Национальный институт стандартов и технологий США (англ.National Institute of Standards and Technology, NIST) опубликовал спецификацию AES 26 ноября2001 года после пятилетнего периода, в ходе которого были созданы и оценены 15 кандидатур. 26 мая2002 года AES был объявлен стандартом шифрования. По состоянию на 2009 год AES является одним из самых распространённых алгоритмов симметричного шифрования[1][2]. Поддержка ускорения AES была введена фирмой Intel в семейство процессоров x86 начиная с Arrandal в 2010 году, а затем на процессорах Sandy Bridge; фирмой AMD — в Bulldozer с 2011 года.
последовательность бит, из которых состоит input, output, State и Round Key. Также под Block можно понимать последовательность байтов
Cipher Key
секретный криптографический ключ, который используется Key Expansion процедурой, чтобы произвести набор ключей для раундов (Round Keys); может быть представлен как прямоугольный массив байтов, имеющий четыре строки и Nk колонок
Ciphertext
выходные данные алгоритма шифрования
Key Expansion
процедура генерации Round Keys из Cipher Key
Round Key
Round Keys получаются из Cipher Key использованием процедуры Key Expansion. Они применяются к State при шифровании и расшифровании
State
промежуточный результат шифрования, который может быть представлен как прямоугольный массив байтов, имеющий 4 строки и Nb колонок
S-box
нелинейная таблица замен, использующаяся в нескольких трансформациях замены байтов и в процедуре Key Expansion для взаимнооднозначной замены значения байта. Предварительно рассчитанный S-box можно увидеть ниже
Nb
число столбцов (32-битных слов), составляющих State. Для AES Nb = 4
Nk
число 32-битных слов, составляющих шифроключ. Для AES Nk = 4, 6, или 8
Nr
число раундов, которое является функцией Nk и Nb. Для AES Nr = 10, 12, 14
Rcon[]
массив, который состоит из битов 32-разрядного слова и является постоянным для данного раунда. Предварительно рассчитанный Rcon[] можно увидеть ниже
трансформация при шифровании и обратном шифровании, при которой Round Key XOR’ится c State. Длина RoundKey равна размеру State (то есть если Nb = 4, то длина RoundKey равна 128 бит или 16 байт)
InvMixColumns()
трансформация при расшифровании, которая является обратной по отношению к MixColumns()
InvShiftRows()
трансформация при расшифровании, которая является обратной по отношению к ShiftRows()
InvSubBytes()
трансформация при расшифровании, которая является обратной по отношению к SubBytes()
MixColumns()
трансформация при шифровании, которая берёт все столбцы State и смешивает их данные (независимо друг от друга), чтобы получить новые столбцы
RotWord()
функция, использующаяся в процедуре Key Expansion, которая берёт 4-байтовое слово и производит над ним циклическую перестановку
ShiftRows()
трансформации при шифровании, которые обрабатывают State, циклически смещая последние три строки State на разные величины
SubBytes()
трансформации при шифровании, которые обрабатывают State, используя нелинейную таблицу замещения байтов (S-box), применяя её независимо к каждому байту State
SubWord()
функция, используемая в процедуре Key Expansion, которая берёт на входе четырёхбайтовое слово и, применяя S-box к каждому из четырёх байтов, выдаёт выходное слово
AES является стандартом, основанным на алгоритме Rijndael. Для AES длина input (блока входных данных) и State (состояния) постоянна и равна 128 бит, а длина шифроключа K составляет 128, 192, или 256 бит. При этом исходный алгоритм Rijndael допускает длину ключа и размер блока от 128 до 256 бит с шагом в 32 бита. Для обозначения выбранных длин input, State и Cipher Key в 32-битных словах используется нотация Nb = 4 для input и State, Nk = 4, 6, 8 для Cipher Key соответственно для разных длин ключей.
В начале зашифровывания input копируется в массив State по правилу , для и . После этого к State применяется процедура AddRoundKey(), и затем State проходит через процедуру трансформации (раунд) 10, 12, или 14 раз (в зависимости от длины ключа), при этом надо учесть, что последний раунд несколько отличается от предыдущих. В итоге, после завершения последнего раунда трансформации, State копируется в output по правилу , для и .
Отдельные трансформации SubBytes(), ShiftRows(), MixColumns() и AddRoundKey() — обрабатывают State. Массив w[] — содержит key schedule.
Cipher(byte in[4*Nb], byte out[4*Nb], word w[Nb*(Nr+1)])
begin
byte state[4,Nb]
state = in
AddRoundKey(state, w[0, Nb-1])
for round = 1 step 1 to Nr-1
SubBytes(state)
ShiftRows(state)
MixColumns(state)
AddRoundKey(state, w[round*Nb, (round+1)*Nb-1])
end for
SubBytes(state)
ShiftRows(state)
AddRoundKey(state, w[Nr*Nb, (Nr+1)*Nb-1])
out = state
end
В процедуре SubBytes, каждый байт в state заменяется соответствующим элементом в фиксированной 8-битной таблице поиска, S; bij = S(aij).
Процедура SubBytes() обрабатывает каждый байт состояния, независимо производя нелинейную замену байтов, используя таблицу замен (S-box). Такая операция обеспечивает нелинейность алгоритма шифрования. Построение S-box состоит из двух шагов. Во-первых, производится взятие обратного числа в поле Галуа. Для всех операций в этом поле используется неприводимый полином . Во-вторых, к каждому байту b, из которых состоит S-box, применяется следующая операция:
где , и где есть i-ый бит b, а — i-ый бит константы . Таким образом обеспечивается защита от атак, основанных на простых алгебраических свойствах.
В процедуре ShiftRows байты в каждой строке state циклически сдвигаются влево. Размер смещения байтов каждой строки зависит от её номера
ShiftRows работает со строками State. При этой трансформации строки состояния циклически сдвигаются на r байт по горизонтали в зависимости от номера строки. Для нулевой строки r = 0, для первой строки r = 1 Б и т. д. Таким образом, каждая колонка выходного состояния после применения процедуры ShiftRows состоит из байтов из каждой колонки начального состояния. Для алгоритма Rijndael паттерн смещения строк для 128- и 192-битных строк одинаков. Однако для блока размером 256 бит отличается от предыдущих тем, что 2-е, 3-и и 4-е строки смещаются на 1, 3 и 4 байта соответственно. Это замечание не относится к AES, так как он использует алгоритм Rijndael только с 128-битными блоками, независимо от размера ключа.
В процедуре MixColumns каждая колонка состояния перемножается с фиксированным многочленом c(x).
В процедуре MixColumns четыре байта каждой колонки State смешиваются, используя для этого обратимую линейную трансформацию. MixColumns обрабатывает состояния по колонкам, трактуя каждую из них как полином третьей степени. Над этими полиномами производится умножение[6] в по модулю на фиксированный многочлен . Вместе с ShiftRows MixColumns вносит диффузию в шифр.
В процедуре AddRoundKey каждый байт состояния объединяется с RoundKey, используя операцию XOR (⊕).
В процедуре AddRoundKey RoundKey каждого раунда объединяется со State. Для каждого раунда Roundkey получается из CipherKey c помощью процедуры KeyExpansion; каждый RoundKey такого же размера, что и State. Процедура производит побитовый XOR каждого байта State с каждым байтом RoundKey.
Алгоритм AES, используя процедуру KeyExpansion() и подавая в неё Cipher Key, K, получает ключи для всех раундов. Всего получается Nb*(Nr + 1) слов: изначально для алгоритма требуется набор из Nb слов, и каждому из Nr раундов требуется Nb ключевых набора данных. Полученный массив ключей для раундов обозначается как , . Алгоритм KeyExpansion() показан в псевдокоде ниже.
Функция SubWord() берёт четырёхбайтовое входное слово и применяет S-box к каждому из четырёх байтов. То, что получилось, подаётся на выход. На вход RotWord() подаётся слово , которое она циклически переставляет и возвращает . Массив слов, постоянный для данного раунда, , содержит значения , где x = {02}, а является степенью в ( начинается с 1).
Из рисунка можно видеть, что первые слов расширенного ключа заполнены Cipher Key. В каждое последующее слово, , кладётся значение, полученное при операции XOR и , те XOR’а предыдущего и на Nk позиций раньше слов. Для слов, позиция которых кратна Nk, перед XOR’ом к w[i-1] применяется трансформация, за которой следует XOR с константой раунда Rcon[i]. Указанная выше трансформация состоит из циклического сдвига байтов в слове (RotWord()), за которой следует процедура SubWord() — то же самое, что и SubBytes(), только входные и выходные данные будут размером в слово.
Важно заметить, что процедура KeyExpansion() для 256-битного Cipher Key немного отличается от тех, которые применяются для 128- и 192- битных шифроключей. Если и кратно , то SubWord() применяется к до XOR’а.
KeyExpansion(byte key[4 * Nk], word w[Nb * (Nr+1)], Nk)
begin
word temp
i = 0;
while(i < Nk)
w[i] = word(key[4*i], key[4*i+1], key[4*i+2], key[4*i+3])
i = i + 1
end while
i = Nk
while(i < Nb * (Nr+1))
temp = w[i - 1]
if (i mod Nk = 0)
temp = SubWord(RotWord(temp)) xor Rcon[i / Nk]
else if (Nk > 6 and i mod Nk = 4)
temp = SubWord(temp)
end if
w[i] = w[i - Nk] xor temp
i = i + 1
end while
end
InvCipher(byte in[4 * Nb], byte out[4 * Nb], word w[Nb * (Nr+1)])
begin
byte state[4, Nb]
state = in
AddRoundKey(state, w[Nr * Nb, Nb * (Nr+1) - 1])
for round = Nr - 1 step -1 downto 1
InvShiftRows(state)
InvSubBytes(state)
AddRoundKey(state, w[Nb * round, Nb * (round+1) - 1])
InvMixColumns(state)
end for
InvShiftRows(state)
InvSubBytes(state)
AddRoundKey(state, w[0, Nb - 1])
out = state
end
На базе алгоритма Rijndael, лежащего в основе AES, реализованы альтернативные криптоалгоритмы. Среди наиболее известных — участники конкурса Nessie: Anubis на инволюциях, автором которого является Винсент Рэймен и усиленный вариант шифра — Grand Cru Йохана Борста.
В июне 2003 года Агентство национальной безопасности США постановило, что шифр AES является достаточно надёжным, чтобы использовать его для защиты сведений, составляющих государственную тайну (англ.classified information). Вплоть до уровня SECRET было разрешено использовать ключи длиной 128 бит, для уровня TOP SECRET требовались ключи длиной 192 и 256 бит[7].
В отличие от большинства других шифров, AES имеет простое математическое описание. Это беспокоило в том числе и Нильса Фергюсона, который в своей работе отметил, что безопасность шифра основывается на новом непроверенном предположении о сложности решения определённых видов уравнений (англ.«The security of Rijndael depends on a new and untested hardness assumption: it is computationally infeasible to solve equations of this type»)[8][9], а также Брюса Шнайера, который написал в совместной с Нильсом книге:
У нас есть одно критическое замечание к AES: мы не совсем доверяем его безопасности. Что беспокоит нас больше всего в AES, так это его простая алгебраическая структура… Ни один другой блочный шифр не имеет столь простого алгебраического представления. Мы понятия не имеем, ведёт это к атаке или нет, но незнание этого является достаточной причиной, чтобы скептически относиться к использованию AES.
Оригинальный текст (англ.)[показатьскрыть]
We have one criticism of AES: we don't quite trust the security… What concerns us the most about AES is its simple algebraic structure… No other block cipher we know of has such a simple algebraic representation. We have no idea whether this leads to an attack or not, but not knowing is reason enough to be skeptical about the use of AES
Николя Куртуа и Йозеф Пепшик в 2002 году опубликовали статью, в которой описали теоретическую атаку, названную ими XSL-атакой (англ.eXtended Sparse Linearization), которая могла бы позволить вскрыть шифры AES и Serpent[10][11]. Тем не менее, результаты работы не всеми были восприняты оптимистично:
Я считаю, что в работе Куртуа-Пепшика есть ошибка. Они переоценили число линейно-независимых уравнений. В результате у них нет достаточного количества линейных уравнений для решения системы, и [указанный] метод не может взломать Rijndael. Он имеет определённые достоинства и заслуживает изучения, но не взламывает Rijndael в его нынешнем виде.
Оригинальный текст (англ.)[показатьскрыть]
I believe that the Courtois-Pieprzyk work is flawed. They overcount the number of linearly independent equations. The result is that they do not in fact have enough linear equations to solve the system, and the method does not break Rijndael… The method has some merit, and is worth investigating, but it does not break Rijndael as it stands.
На странице, посвящённой обсуждению конкурса NESSIE, в конце 2002 года один из авторов шифра, Винсент Рэймен, заявил, что XSL-атака является всего лишь мечтой (англ.The XSL attack is not an attack. It is a dream) (данная точка зрения позже была повторена в 2004 году на 4-й конференции AES в Бонне). На это Куртуа ответил, что данная мечта может стать для автора AES кошмаром (англ.It may also be a very bad dream and turn into a nightmare)[12] (игра слов: dream переводится и как мечта и как сновидение. Nightmare переводится как кошмарный сон, ночной кошмар).
В 2003 году Шон Мёрфи и Мэтт Робшоу опубликовали работу, в которой (в предположении, что результаты Куртуа и Пепшика верны) обосновали возможность атаки на алгоритм AES, сокращающей количество операций для взлома с 2128 до 2100. Однако на 4-й конференции AES Илья Толи (англ.Ilia Toli) и Альберто Дзанони (англ.Alberto Zanoni) показали, что работа Мёрфи и Робшоу неверна[13]. Позже, в 2007 году, Чу-Ви Лим (англ.Chu-Wee Lim) и Хунгминг Ху (англ.Khoongming Khoo) также показали, что данная атака не может работать в том виде, как она была описана[14].
Атаки по сторонним каналам не связаны с математическими особенностями шифра, но используют определённые особенности реализации систем, использующих данные шифры, с целью раскрыть частично или полностью секретные данные, в том числе ключ. Известно несколько подобных атак на системы, использовавшие алгоритм AES.
В апреле 2005 года Дэниел Бернштейн опубликовал работу с описанием атаки, использующей для взлома информацию о времени выполнения каждой операции шифрования[15]. Данная атака потребовала более 200 миллионов выбранных шифротекстов для нахождения ключа[16].
В октябре 2005 года Даг Арне Освик, Ади Шамир и Эран Трумер представили работу с описанием нескольких атак, использующих время выполнения операций для нахождения ключа. Одна из представленных атак получала ключ после 800 операций шифрования. Атака требовала от криптоаналитика возможности запускать программы на той же системе, где выполнялось шифрование[17].
В декабре 2009 года была опубликована работа, в которой использование дифференциального анализа ошибок (англ.Differential Fault Analysis), искусственно создаваемых в матрице состояния на 8-м раунде шифрования, позволило восстановить ключ за 232 операций[18].
↑Niels Ferguson, Richard Schroeppel, and Doug Whiting.A simple algebraic representation of Rijndael (англ.) // Selected Areas in Cryptography, Proc. SAC 2001, Lecture Notes in Computer Science #2259. — Springer Verlag, 2001. — P. 103—111. Архивировано 16 января 2016 года.
↑Bruce Schneier.Crypto-Gram Newsletter(англ.). Schneier on Security (15 сентября 2002). Дата обращения: 27 октября 2010. Архивировано 19 февраля 2012 года.
↑Nicolas Courtois, Josef Pieprzyk.Cryptanalysis of Block Ciphers with Overdefined Systems of Equations (англ.) // Advances in Cryptology — ASIACRYPT 2002 8th International Conference on the Theory Application of Cryptology and Information Security Queenstown, New Zealand, December 1—5, 2002 Proceedings. Lecture Notes in Computer Science (2501). — Springer, 2002. — P. 267—287. — doi:10.1007/3-540-36178-2. Архивировано 26 октября 2020 года.
↑Bruce Schneier.AES Timing Attack(англ.). Schneier on Security (17 мая 2005). Дата обращения: 27 октября 2010. Архивировано 19 февраля 2012 года.
↑Dag Arne Osvik; Adi Shamir and Eran Tromer.Cache Attacks and Countermeasures: the Case of AES // Topics in Cryptology — CT-RSA 2006, The Cryptographers’ Track at the RSA Conference. — Springer-Verlag, 2005. — P. 1—20. Архивировано 25 ноября 2020 года.