Что такое шифрование AES? Ваш незаменимый гид

Вы когда-нибудь задумывались, как обеспечивается безопасность Ваших банковских операций в Интернете? Advanced Encryption Standard (AES) — вот ответ. AES преобразует Ваши читаемые конфиденциальные данные в скремблированный код, который могут разблокировать только авторизованные получатели.

Разработанный Национальным институтом стандартов и технологий (NIST), AES стал незаменимым средством защиты данных во всем мире. Он обеспечивает превосходную безопасность без ущерба для скорости.

AES ежедневно защищает Вашу цифровую жизнь, от приложений для обмена сообщениями до беспроводных сетей. Этот алгоритм шифрования эффективно защищает от криптографических атак, обеспечивая безопасность данных в нашем подключенном мире.

Давайте разберемся, как AES шифрует данные и почему это важно для Вас.

---

Оглавление

1. Что такое AES?
2. История и развитие AES
3. Как работает шифрование AES?
4. Размеры ключей AES и уровни безопасности
5. Режимы шифрования AES
6. Области применения шифрования AES
7. Достоинства и ограничения AES

---

Что такое AES?

AES (Advanced Encryption Standard) — это алгоритм симметричного шифрования, который обеспечивает защиту данных путем преобразования открытого текста в шифрованный, используя один и тот же ключ как для шифрования, так и для дешифрования. Он работает с блоками данных фиксированного размера и широко используется благодаря своей скорости, эффективности и надежной защите в цифровых коммуникациях.

AES был разработан для замены устаревших стандартов шифрования данных (DES) и тройного DES (3DES), которые стали уязвимы для атак из-за малой длины ключа. После тщательного отбора в 2001 году NIST выбрал алгоритм Rijndael в качестве основы для AES, установив его в качестве нового федерального стандарта защиты данных.

Основы шифрования AES

Алгоритм AES шифрует входные данные блоками фиксированного размера по 128 бит (16 байт), независимо от размера ключа. Такой блочный подход означает, что AES обрабатывает Вашу информацию последовательными кусками, применяя к каждому блоку несколько раундов преобразования. Большинство раундов включает в себя подстановку, сдвиг строк, смешение столбцов и добавление круглого ключа; в последнем раунде шаг смешения столбцов опускается.

Отличительная черта AES — гибкость в выборе длины ключа. AES поддерживает ключи размером 128, 192 и 256 битобычно называемые AES-128, AES-192 и AES-256. Чем длиннее ключ, тем больше раундов преобразования применяется: 10 раундов для 128-битных ключей, 12 для 192-битных ключей и 14 для 256-битных ключей.

Расширение ключей имеет решающее значение для безопасности AES. Благодаря алгоритму расписания ключей, AES извлекает несколько раундовых ключей из Вашего начального ключа шифрования, что повышает сложность процесса шифрования и дешифрования.

Вы ежедневно сталкиваетесь с AES при использовании средств защищенной связи, при доступе к беспроводным сетям или при хранении информации на внешних устройствах.

AES сочетает вычислительную эффективность с надежной защитой, что делает его лучшим решением для современных систем защиты данных.

---

История и развитие AES

История усовершенствованного стандарта шифрования началась в конце 1990-х годов, когда в устаревшем стандарте шифрования данных появились уязвимости. Поскольку вычислительные мощности росли экспоненциально, ограниченная 56-битная длина ключа DES стала подвержена атакам методом перебора, что побудило к принятию срочных мер.

В 1997 году NIST объявил глобальный конкурс на разработку алгоритма шифрования-преемника. В этом открытом конкурсе криптографам всего мира предлагалось представить алгоритмы-кандидаты, которые могли бы защищать конфиденциальные данные в течение десятилетий.

Критерии отбора были строгими: кандидаты должны были продемонстрировать защиту от известных и теоретических криптографических атак, эффективно работать в различных аппаратных и программных реализациях и оставаться достаточно компактными для встраиваемых систем и сред с ограниченным ресурсом.

После интенсивного криптоанализа и тестирования производительности из 15 первоначальных заявок были отобраны пять финалистов. Алгоритм Rijndael, созданный бельгийскими криптографами Винсентом Рийменом и Джоаном Даеменом, в итоге победил благодаря балансу безопасности, производительности и гибкости.

NIST официально стандартизировал Rijndael как AES в ноябре 2001 года в соответствии с FIPS PUB 197. В отличие от своего предшественника, который столкнулся с растущими проблемами безопасности, AES представил переменные размеры ключей и математически элегантную структуру, устойчивую к аналитическим сокращениям.

Переход от DES к AES ознаменовал собой сдвиг в сторону открытой, совместной разработки стандартов безопасности. С момента принятия AES выдержал пристальное внимание со стороны криптографического сообщества, став основой безопасных коммуникаций в различных отраслях.

---

Как работает шифрование AES?

AES опирается на последовательность математических операций. Давайте разобьем этот сложный процесс шифрования на понятные шаги.

Перед началом шифрования AES выполняет расширение ключа. С помощью алгоритма расписания ключей Ваш исходный ключ шифрования создает серию раундовых ключей, по одному для каждого раунда, плюс еще один.

Например, 128-битный ключ генерирует одиннадцать 128-битных раундовых ключей, гарантируя, что в каждом раунде шифрования используется уникальный ключевой материал. Этот процесс расширения ключа добавляет значительную сложность, делая практически невозможным для злоумышленников работать в обратном направлении с зашифрованными данными.

Фактическое шифрование происходит в несколько раундов, количество которых зависит от размера Вашего ключа:

• 128-битный ключ: 10 раундов
• 192-битный ключ: 12 раундов
• Длина ключа 256 бит: 14 раундов

Процесс начинается с начальной операции AddRoundKey, в которой каждый байт XORируется с ключом первого раунда. Далее следуют основные раунды, каждый из которых выполняет четыре преобразования:

1. Подбайты: Каждый байт заменяется другим в соответствии с таблицей поиска (S-box), подобно тому, как в простом подстановочном шифре каждая буква может быть заменена на другую, заранее определенную.
2. ShiftRows: Байты в каждом ряду циклически сдвигаются влево; первый ряд остается на месте, второй сдвигается на одну позицию, и так далее.
3. MixColumns: Каждый столбец подвергается математическому преобразованию, которое смешивает его четыре байта.
4. AddRoundKey: Соответствующий байт из ключа этого раунда объединяется с текущим состоянием.

Представьте, что Вы отправляете сообщение “TRANSFER 1000” через AES. Всего после одного раунда оно может превратиться в неузнаваемую тарабарщину вроде “F83#ZQ@*7BL !2K”.

В финальном раунде шаг MixColumns опускается, но включаются остальные три преобразования, в результате чего получаются полностью зашифрованные данные.

Процесс дешифрования меняет эти шаги на противоположные, применяя обратные операции в обратном порядке. При использовании AES-256 полученный шифртекст не имеет никакого отношения к исходному сообщению.

Представьте себе весь процесс как специализированный сейф с несколькими вращающимися камерами. Ваше оригинальное сообщение проходит через каждую камеру (раунд), становясь все более зашифрованным. Для работы каждой камеры требуется определенный ключ (круглый ключ).

Чтобы извлечь сообщение, у Вас должен быть тот же ключ, чтобы отпереть и развернуть действие каждой камеры в точном обратном порядке. Без полного ключа сейф остается непроницаемым, сохраняя Ваши конфиденциальные данные в безопасности.

---

Размеры ключей AES и уровни безопасности

При использовании шифрования AES Вы можете выбрать один из трех вариантов размера ключа, каждый из которых предлагает различные уровни безопасности и характеристики производительности.

AES поддерживает размеры ключей 128, 192 и 256 бит, создавая три различных варианта алгоритма:

• AES-128 обрабатывает данные через 10 раундов преобразования. При использовании 128-битных ключей этот вариант создает 2^128 (приблизительно 340 недециллионов) возможных комбинаций ключей. Несмотря на то, что этот вариант является реализацией AES “начального уровня”, он остается очень защищенным от обычных атак грубой силы. Наиболее практичные применения включают в себя защиту беспроводных сетей и повседневных коммуникаций.
• AES-192 повышает безопасность за счет использования 12 раундов и 192-битного ключа шифрования. Этот вариант среднего уровня предлагает значительно больше комбинаций ключей (2^192), что делает теоретические атаки экспоненциально более сложными. Государственные учреждения и организации, работающие с ценными финансовыми документами, часто выбирают этот вариант за его баланс безопасности и производительности.
• AES-256 обеспечивает наивысшую теоретическую безопасность, имея 14 раундов преобразования и 256-битную длину ключа. Имея 2^256 возможных комбинаций, этот вариант отвечает требованиям к защите совершенно секретной информации при использовании с утвержденными режимами шифрования. Организации, управляющие особо секретными данными, такими как разведывательная информация, критически важная инфраструктура или ценная интеллектуальная собственность, используют AES-256.

Вариант AES	Длина ключа	Количество раундов	Теоретические комбинации	Уровень безопасности	Общие применения
AES-128	128 бит	10	2^128	Сильный	Беспроводная безопасность, потребительские приложения
AES-192	192 бита	12	2^192	Очень сильный	Финансовые учреждения, правительство
AES-256	256 бит	14	2^256	Максимальный	Военное дело, Инфраструктура управления ключами

Хотя теоретически большие ключи обеспечивают повышенную защиту, они требуют больше вычислительных ресурсов. Дополнительные требования к обработке становятся актуальными во встроенных системах с ограниченными возможностями или в приложениях, для которых важна высокая пропускная способность.

Помните: Ваша безопасность зависит не только от размера ключа, но и от правильной практики управления ключами. Даже AES-256 становится уязвимым, если Вы храните ключ шифрования ненадежно или используете слабые пароли для его генерации.

---

Режимы шифрования AES

Режимы шифрования определяют, как AES обрабатывает несколько блоков, и добавляют уникальные свойства безопасности для защиты конфиденциальных данных. Думайте о режиме как о стратегии, которая управляет тем, как каждый блок связан с другими, превращая отдельные защищенные блоки в целостное, защищенное сообщение.

ECB (электронная кодовая книга)

В режиме электронной кодовой книги каждый блок открытого текста шифруется независимо, используя один и тот же ключ. Представьте себе перевод книги, где каждое слово преобразуется отдельно, без контекста.

Несмотря на свою простоту, ECB имеет критический недостаток: одинаковые блоки открытого текста создают одинаковые блоки шифротекста. Такое сохранение шаблона может раскрыть информацию о структуре Ваших данных, как в знаменитомизображении “пингвина ECB”. В зашифрованной версии Вы все еще можете увидеть очертания пингвина.

CBC (Cipher Block Chaining)

Режим CBC хитроумно соединяет блоки между собой путем XOR (объединение двух двоичных значений с помощью операции XOR, которая выводит единицу только тогда, когда биты различаются) каждого блока открытого текста с предыдущим блоком шифротекста перед шифрованием.

Первый блок начинает цепочку с “вектора инициализации” (IV). Этот механизм цепочки гарантирует, что одинаковые блоки открытого текста шифруются по-разному, скрывая закономерности в Ваших зашифрованных данных.

CBC обеспечивает надежную конфиденциальность данных при шифровании файлов и в приложениях для безопасного хранения данных. Он широко использовался в TLS 1.0-1.2, хотя в новых протоколах предпочтение отдается аутентифицированным режимам, таким как GCM.

CTR (счетчик)

Режим счетчиков заставляет AES вести себя как потоковый шифр, шифруя значения счетчиков вместо блоков открытого текста. Затем зашифрованные счетчики объединяются с Вашими открытыми данными с помощью операций XOR.

CTR обеспечивает параллельное шифрование/дешифрование и устраняет необходимость в подшивке. Он идеально подходит для шифрования и дешифрования высокопроизводительных потоковых данных и приложений реального времени, таких как шифрование голоса в защищенной связи.

GCM (режим Галуа/Счетчика)

GCM сочетает в себе режим CTR и аутентификацию. Помимо сохранения Ваших данных в тайне, он проверяет, что никто не подделал Ваше зашифрованное сообщение.

GCM защищает данные, передаваемые по беспроводным сетям, виртуальным частным сетям и HTTPS-соединениям . Его способность обрабатывать данные параллельно, обеспечивая при этом проверку подлинности, делает его идеальным для защиты беспроводных сетей и облачных коммуникаций.

---

Области применения шифрования AES

Шифрование AES защищает Вашу цифровую жизнь во многих приложениях. Вот как этот алгоритм защищает Ваши данные в повседневных сценариях:

• Безопасность Wi-Fi (WPA2/WPA3): В Вашей домашней сети используется шифрование AES, чтобы хакеры не смогли перехватить Ваш интернет-трафик. Маршрутизаторы Wi-Fi 7 таких брендов, как Asus и TP-Link, используют WPA3, который включает шифрование AES для более быстрых и безопасных соединений.
• Безопасный веб-браузинг (HTTPS/SSL/TLS): Когда Вы проверяете почту Gmail или делаете покупки на Amazon, AES шифрует Ваше соединение, чтобы защитить данные, передаваемые между Вашим браузером и сайтом. Сегодня более 95% всего веб-трафика шифруется с помощью HTTPS, а сайты, не использующие HTTPS, Chrome помечает как “небезопасные”.
• Виртуальные частные сети: Некоторые провайдеры VPN теперь сочетают AES-256 с гибридными квантово-устойчивыми методами обмена ключами, готовясь к будущим постквантовым угрозам.
• Шифрование файлов и дисков: BitLocker и VeraCrypt защищают Ваши внешние устройства хранения данных и диски ноутбука. Чипы M4 от Apple оснащены аппаратным ускорением AES, что позволяет шифровать устройства хранения данных с минимальной потерей производительности.
• Финансовые транзакции: PayPal, Visa и Ваши банковские приложения используют AES для защиты транзакций. Сеть SWIFT завершила обновление AES-256 в 2024 году для международных переводов.
• Правительственная связь: АНБ утверждает AES (с использованием специальных режимов, таких как GCM) для защиты секретной информации вплоть до уровня TOP SECRET.
• Облачное хранилище: Dropbox и OneDrive используют AES для безопасного хранения данных, защищая Ваши файлы еще до того, как они попадут в облако.
• Приложения для обмена сообщениями: Signal и WhatsApp используют AES, чтобы гарантировать, что Ваши разговоры смогут прочитать только адресаты.

Широкое распространение AES является свидетельством его эффективности, позволяющей сбалансировать надежную защиту и практическую производительность.

---

Достоинства и ограничения AES

Понимание сильных и слабых сторон AES поможет Вам эффективно его реализовать. Ознакомьтесь с приведенными ниже преимуществами и ограничениями:

Преимущества

• Сильная безопасность: AES выдержал десятилетия криптоанализа и остается невосприимчивым к практическим криптографическим атакам. Даже самым мощным суперкомпьютерам потребуются миллиарды лет, чтобы перебрать правильно реализованный ключ AES-256.
• Эффективность: Современные процессоры содержат специальные инструкции AES, что делает шифрование и дешифрование необычайно быстрым. Инструкции Intel AES-NI значительно ускоряют шифрование, делая AES высокоэффективным даже на системах с ограниченными ресурсами.
• Гибкие размеры ключей: По мере развития потребностей организаций в безопасности они могут выбирать подходящую длину ключа, не меняя алгоритма. Благодаря такой масштабируемости AES поддерживает размеры ключей, подходящие для любых задач — от легких IoT-приложений до секретных правительственных документов.
• Широкое распространение: AES — это глобальный стандарт, принятый во всех отраслях, от здравоохранения и финансов до государственного управления и облачной инфраструктуры.

Ограничения

• Уязвимости реализации: Несмотря на то, что алгоритм безопасен, плохая реализация может дать слабину. Атаки по побочным каналам, нацеленные на синхронизацию, энергопотребление или электромагнитные излучения, успешно извлекали ключи из неправильно спроектированных систем.
• Угрозы квантовых вычислений: Теоретические квантовые компьютеры могут потенциально снизить безопасность AES-128 с помощью алгоритма Гровера. Хотя AES-256 остается устойчивым к квантовым вычислениям, организации, планирующие десятилетия, рассматривают постквантовые альтернативы.
• Проблемы управления ключами: Безопасность AES полностью зависит от правильного управления ключами. Без надежных методов управления ключами даже самое надежное шифрование становится уязвимым в случае кражи, потери или неправильного обращения с секретным ключом.

Осознав эти недостатки, Вы сможете принять взвешенное решение о внедрении AES для достижения оптимальной защиты данных в соответствии с Вашими специфическими требованиями к безопасности.

---

Защитите свой сайт с помощью шифрования AES

Защитите свой сайт и укрепляйте доверие с каждым щелчком мыши. SSL Dragon предлагает широкий выбор SSL-сертификатов с надежным шифрованием типа AES, обеспечивая безопасность Ваших данных и уверенность Ваших посетителей. Независимо от того, ведете ли Вы блог или интернет-магазин, защита Вашего сайта больше не является чем-то необязательным — она обязательна.

Сделайте первый шаг к более безопасному и профессиональному присутствию в Интернете. Изучите сертификаты SSL Dragon, сравните проверенные бренды и найдите подходящее решение. Наша служба поддержки готова помочь, если у Вас возникнут вопросы. Переключитесь сегодня и наслаждайтесь душевным спокойствием при каждом безопасном соединении.