Современные шифровальные алгоритмы выполняют важную роль в обеспечении безопасности информации в цифровой эпохе. Один из наиболее популярных и надежных алгоритмов шифрования – Advanced Encryption Standard (AES), который широко используется в различных областях, включая защиту данных, телекоммуникации и криптовалюты. В этой статье мы рассмотрим принцип работы алгоритма AES и объясним, как он обеспечивает безопасность информации.
AES использует симметричное шифрование, что означает, что для зашифрования и расшифрования данных используется один и тот же ключ. Размер ключа AES может быть 128, 192 или 256 бит, в зависимости от уровня безопасности, которую требуется достичь. Основная идея алгоритма AES заключается в том, что данные разбиваются на блоки фиксированного размера (обычно 128 бит) и проходят через несколько раундов шифрования с использованием операций подстановки, перестановки и линейных преобразований.
Каждый раунд шифрования AES состоит из четырех основных операций: подстановки байтов (SubBytes), сдвига строк (ShiftRows), смешивания столбцов (MixColumns) и добавления раундового ключа (AddRoundKey). Во время операции SubBytes каждый байт заменяется на соответствующий байт из нелинейной таблицы подстановки S-Box, что обеспечивает диффузию и нелинейность шифрования. Операция ShiftRows смещает каждую строку блока на определенное количество позиций влево, что предотвращает пространственную корреляцию между байтами. Операция MixColumns сочетает данные в каждом столбце блока с фиксированным преобразованием, обеспечивая дополнительную диффузию и нелинейность. В конце каждого раунда выполняется операция AddRoundKey, при которой блок данных комбинируется с раундовым ключом с помощью побитовой операции XOR.
Принцип работы алгоритма AES
Принцип работы aes основан на подстановке, перестановке и линейных преобразованиях, которые выполняются над блоками данных фиксированного размера. Алгоритм работает на основе ключа, который определяет метод и порядок шифрования.
Основная операция алгоритма AES называется SubBytes. Она заменяет каждый байт в блоке на другой байт из S-блока, который представляет собой таблицу замен. Это обеспечивает нелинейность шифрования и позволяет алгоритму быть устойчивым к атакам.
После замены байтов применяются операции ShiftRows и MixColumns. Операция ShiftRows сдвигает строки блока влево, что обеспечивает дополнительное перемешивание данных. Операция MixColumns выполняет линейное преобразование над столбцами блока, чтобы еще больше усложнить вывод ключа.
Далее применяется операция AddRoundKey, которая объединяет данные блока с ключом. Ключ также проходит определенные операции преобразования на каждом раунде алгоритма, чтобы обеспечить безопасность шифрования.
Алгоритм AES имеет несколько возможных конфигураций в зависимости от длины ключа и количества раундов. Самая распространенная конфигурация AES имеет блоки размером 128 бит, ключ длиной 128, 192 или 256 бит и 10, 12 или 14 раундов соответственно. Каждый раунд алгоритма выполняет серию преобразований над блоком данных и ключом.
Важно отметить, что AES является симметричным алгоритмом, то есть для шифрования и дешифрования используется один и тот же ключ. Ключ должен быть известен только отправителю и получателю для обеспечения безопасности обмена информацией.
Все эти компоненты вместе обеспечивают надежную защиту данных при использовании алгоритма AES. Он широко используется в различных приложениях, включая защиту информации в сетях, хранение данных на диске и безопасную передачу данных через интернет.
Описание алгоритма AES
AES использует ключ длиной 128, 192 или 256 бит для шифрования данных блоками размером 128 бит (16 байт). Он основан на принципе замены, диффузии и смешивания данных, чтобы обеспечить сильную защиту от взлома.
Алгоритм AES состоит из нескольких раундов шифрования, которые повторяются между собой. Количество раундов зависит от длины ключа и составляет 10 для 128-битного ключа, 12 для 192-битного и 14 для 256-битного.
Каждый раунд состоит из нескольких шагов. В первом шаге происходит преобразование данных с помощью подстановки байтов из таблицы, называемой S-блоком. Затем происходит сдвиг байтов в каждом столбце матрицы данных, а затем они путаются с помощью операции, называемой MixColumns.
Во втором шаге происходит объединение ключа и данных путем побитового исключающего ИЛИ. Затем происходит сдвиг байтов снова и происходят дополнительные преобразования с использованием нового ключа и таблицы.
Кроме этого, AES использует также ключевое расписание, которое порождает раундовые ключи для каждого шага шифрования. Это осуществляется путем преобразования раундового ключа предыдущего шага с использованием S-блока и различных операций над байтами.
В целом, алгоритм AES обеспечивает сильную защиту данных, поскольку основан на сложных преобразованиях данных и использовании большого количества раундов шифрования. Он широко применяется в различных системах, включая банковские операции, защиту информации и коммуникации.
Шаги выполнения шифрования в алгоритме AES
Алгоритм Advanced Encryption Standard (AES) выполняет шифрование данных в несколько этапов. Вот основные шаги выполнения шифрования в алгоритме AES:
- Добавление раундового ключа (AddRoundKey): Каждый блок данных XOR’ится с раундовым ключом. Раунд стартует с первого раундового ключа, который получается из основного ключа шифрования.
- Шифрование подстановкой (SubBytes): Каждый байт в блоке данных заменяется соответствующим значением из заранее определенной S-блока, называемого «заменой по таблице». Эта операция обеспечивает нелинейность шифрования.
- Сдвиг строк (ShiftRows): Каждая строка блока данных циклически сдвигается влево. Первая строка остается без изменений, вторая сдвигается на одну позицию влево, третья на две позиции, четвертая на три позиции. Этот шаг обеспечивает диффузию данных.
- Смешивание столбцов (MixColumns): Каждый столбец блока данных умножается на специальную матрицу в поле Галуа. Это позволяет обеспечить диффузию данных между столбцами.
- Шаги 2-4 повторяются многократно (обычно 9 или 11 раз) для достижения глубины шифрования.
- Финальная операция: В заключительном раунде не выполняется шаг MixColumns. Вместо этого, выполняются только шаги AddRoundKey, SubBytes и ShiftRows.
В результате применения этих шагов шифрования, данные проходят через несколько сложных преобразований, которые обеспечивают высокую степень безопасности в алгоритме AES.