Advanced Encryption Standard (AES), також відомий під назвою Rijndael — симетричний алгоритм блочного шифрування (розмір блока 128 біт, ключ 128/192/256 біт). Фіналіст конкурсу AES, прийнятий як американський стандарт шифрування урядом США. Вибір припав на AES з розрахуванням на широке використання та активний аналіз алгоритму, як це було із його попередником, DES. Державний інститут стандартів і технологій (, NIST) США опублікував попередню специфікацію AES 26 жовтня 2001 року, після п'ятирічної підготовки. 26 травня 2002 року AES оголошено стандартом шифрування. Станом на 2009 рік AES є одним з найпоширеніших алгоритмів симетричного шифрування.

Історія Потреба у новому стандарті шифрування постала у середині 1990-х років. Наявний тоді стандарт DES, довжиною ключа 56 біт, давав змогу застосувати метод грубої сили для дешифрування даних. Успішні злами даних відбулися вже наприкінці 1990-х. Крім того, архітектура DES орієнтувалась на апаратну реалізацію, а програмна реалізація на платформах з обмеженими ресурсами не давала необхідної швидкості застосування. Модифікація DES 3-DES мала достатню довжину ключа, але при цьому була ще повільнішою.

12 жовтня 1997 р. NIST оголосив конкурс на обрання спадкоємця для DES, що був американським стандартом ще з 1977 року. Перед претендентами поставили такі основні вимоги блочний шифр довжина блоку 128 біт ключі довжиною 128, 192 і 256 біт.

Вибір алгоритму проходив у три етапи. 20 серпня 1998 року на 1-й конференції AES було оголошено список з 15 кандидатів. У серпні 1999 року на 2-й конференції AES список скоротився до п'яти фіналістів: MARS, RC6, Rijndael, Serpent і Twofish. За результатами доповідей 3-ї конференції, що проходила у Нью-Йорку 13—14 квітня 2000 року, 2 жовтня 2000 алгоритм, запропонований бельгійськими криптографами Д. Деймоном та В. Ріджменом, був оголошений переможцем конкурсу і почалась процедура стандартизації . 26 травня 2002 року AES був прийнятий як стандарт.

Опис алгоритму У принципі алгоритм, запропонований Рейменом і Дейцменом, і AES не одне і те ж. Алгоритм Рейндол підтримує широкий діапазон розміру блоку та ключа. AES має фіксовану довжину у 128 біт, а розмір ключа може приймати значення 128, 192 або 256 біт. У той час як Рейндол підтримує розмірність блоку та ключа із кроком 32 біт у діапазоні від 128 до 256. Через фіксований розмір блоку AES оперує із масивом 4 × 4 байт, що називається станом (версії алгоритму із більшим розміром блоку мають додаткові колонки).

Для ключа 128 біт алгоритм має 10 раундів у яких послідовно виконуються операції subBytes() shiftRows() mixcolumns() (у 10-му раунді пропускається) xorRoundKey()

SubBytes()

Процедура SubBytes() обробляє кожен байт стану незалежно, проводячи нелінійну заміну байтів використовуючи таблицю замін (S-box). Така операція забезпечує нелінійність алгоритму шифрування. Побудова S-box складається з двох кроків. По-перше, проводиться отримання зворотного числа в полі Галуа . По-друге, до кожного байту b з яких складається S-box застосовується така операція:

де , і де є i-й біт b, а  — i-й біт константи . Таким чином, забезпечується захист від атак, заснованих на простих алгебраїчних властивостях.

S-box можна відобразити таблицею простої підстановки:

+ S-box\0123456789abc de f063 7c 77 7b f2 6b 6f c5 30 01 67 2b fe d7 ab 761ca 82 c9 7d fa 59 47 f0 ad d4 a2 af 9c a4 72 c02b7 fd 93 26 36 3f f7 cc 34 a5 e5 f1 71 d8 31 15304 c7 23 c3 18 96 05 9a 07 12 80 e2 eb 27 b2 75409 83 2c 1a 1b 6e 5a a0 52 3b d6 b3 29 e3 2f 84553 d1 00 ed 20 fc b1 5b 6a cb be 39 4a 4c 58 cf6d0 ef aa fb 43 4d 33 85 45 f9 02 7f 50 3c 9f a8751 a3 40 8f 92 9d 38 f5 bc b6 da 21 10 ff f3 d28cd 0c 13 ec 5f 97 44 17 c4 a7 7e 3d 64 5d 19 73960 81 4f dc 22 2a 90 88 46 ee b8 14 de 5e 0b dbae0 32 3a 0a 49 06 24 5c c2 d3 ac 62 91 95 e4 79be7 c8 37 6d 8d d5 4e a9 6c 56 f4 ea 65 7a ae 08cba 78 25 2e 1c a6 b4 c6 e8 dd 74 1f 4b bd 8b 8ad70 3e b5 66 48 03 f6 0e 61 35 57 b9 86 c1 1d 9eee1 f8 98 11 69 d9 8e 94 9b 1e 87 e9 ce 55 28 dff8c a1 89 0d bf e6 42 68 41 99 2d 0f b0 54 bb 16

Наприклад, на вході 19 на виході отримаємо d4.

Фактично це звичайний шифр простої підстановки.

ShiftRows()

ShiftRows працює з рядками таблиці State. При цій трансформації рядка стану циклічно зсуваються на r байтів по горизонталі, залежно від номера рядка. Для нульового рядка r = 0, для першого рядка r = 1 і т. д. Таким чином кожна колонка вихідного стану після застосування процедури ShiftRows складається з байтів з кожної колонки початкового стану. Для алгоритму Rijndael патерн зсуву рядків для 128- і 192-бітних рядків однаковий. Однак для блоку розміром 256 біт відрізняється від попередніх тим, що 2-й, 3-й і 4-й рядки зміщуються на 1, 3, і 4 байти, відповідно.

Фактично це проста перестановка байтів таблиці 4х4 State.

MixColumns()

У процедурі MixColumns, чотири байти кожної колонки State змішуються, використовуючи для цього зворотну лінійну трансформацію. MixColumns опрацьовує стан по колонках, трактуючи кожну з них як поліном четвертого степеня. Над цими поліномами виконується множення в по модулю на фіксований многочлен . Разом з ShiftRows, MixColumns вносить дифузію в шифр.

Під час цієї операції, кожен стовпчик множиться на матрицю, яка для 128-бітного ключа має вигляд

AddRoundKey()

У процедурі AddRoundKey RoundKey кожного раунду об'єднується зі State. Для кожного раунду Roundkey виходить із CipherKey використовуючи процедуру KeyExpansion; кожен RoundKey такого ж розміру, що і State. Процедура виробляє побітовий XOR кожного байта State із кожним байтом RoundKey. Фактично це звичайний побайтовий XOR байт ключа з байтами таблиці State.

Примітки