AES

百科解釋

Rijndael是由Daemen和Rijmen早期所設計的Square改良而來；而Square則是由SHARK發(fā)展而來。
不同于它的前任標準DES, Rijndael使用的是置換-組合架構，而非Feistel架構。AES在軟件及硬件上都能快速地加解密，相對來說較易于實作, 且只需要很少的內(nèi)存。作為一個新的加密標準, 目前正被部署應用到更廣大的范圍.

密碼說明

嚴格地說，AES和Rijndael加密法并不完全一樣（雖然在實際應用中二者可以互換），因為Rijndael加密法可以支援更大范圍的區(qū)塊和密鑰長度：AES的區(qū)塊長度固定為128 位元，密鑰長度則可以是128，192或256位元；而Rijndael使用的密鑰和區(qū)塊長度可以是32位元的整數(shù)倍，以128位元為下限，256位元為上限。加密過程中使用的密鑰是由Rijndael密鑰生成方案產(chǎn)生。
大多數(shù)AES計算是在一個特別的有限域完成的。
AES加密過程是在一個4×4的字節(jié)矩陣上運作，這個矩陣又稱為“體（state）”，其初值就是一個明文區(qū)塊（矩陣中一個元素大小就是明文區(qū)塊中的一個Byte）。（Rijndael加密法因支援更大的區(qū)塊，其矩陣行數(shù)可視情況增加）加密時，各輪AES加密循環(huán)（除最后一輪外）均包含4個步驟：

<tt>AddRoundKey</tt> — 矩陣中的每一個字節(jié)都與該次循環(huán)的子密鑰（round key）做XOR運算；每個子密鑰由密鑰生成方案產(chǎn)生。
<tt>SubBytes</tt> — 透過一個非線性的替換函數(shù)，用查找表的方式把每個字節(jié)替換成對應的字節(jié)。
<tt>ShiftRows</tt> — 將矩陣中的每個橫列進行循環(huán)式移位。
<tt>MixColumns</tt> — 為了充分混合矩陣中各個直行的操作。這個步驟使用線性轉換來混合每行內(nèi)的四個字節(jié)。

最后一個加密循環(huán)中省略<tt>MixColumns</tt>步驟，而以另一個<tt>AddRoundKey</tt>取代。

<tt>AddRoundKey</tt> 步驟

在<tt>AddRoundKey</tt> 步驟中，將每個狀態(tài)中的字節(jié)與該次回圈的子密鑰做異或(⊕)。

<tt>AddRoundKey</tt>步驟，子密鑰將會與原矩陣合并。在每次的加密循環(huán)中，都會由主密鑰產(chǎn)生一把子密鑰（透過Rijndael密鑰生成方案產(chǎn)生），這把子密鑰大小會跟原矩陣一樣，以與原矩陣中每個對應的字節(jié)作異或（⊕）加法。

<tt>SubBytes</tt> 步驟

在<tt>SubBytes</tt>步驟中，矩陣中各字節(jié)被固定的8位查找表中對應的特定字節(jié)所替換,S; bij = S(aij).

在<tt>SubBytes</tt>步驟中，矩陣中的各字節(jié)透過一個8位元的S-box進行轉換。這個步驟提供了加密法非線性的變換能力。S-box與GF(28)上的乘法反元素有關，已知具有良好的非線性特性。為了避免簡單代數(shù)性質的攻擊，S-box結合了乘法反元素及一個可逆的仿射變換矩陣建構而成。此外在建構S-box時，刻意避開了固定點與反固定點，即以S-box替換字節(jié)的結果會相當于錯排的結果。此條目有針對S-box的詳細描述：Rijndael S-box

<tt>ShiftRows</tt> 步驟

在<tt>ShiftRows</tt> 步驟中,矩陣中每一列的各個字節(jié)循環(huán)向左方位移。位移量則隨著行數(shù)遞增而遞增。

<tt>ShiftRows</tt>是針對矩陣的每一個橫列操作的步驟。在此步驟中，每一列都向左循環(huán)位移某個偏移量。在AES中（區(qū)塊大小128位元），第一列維持不變，第二列里的每個字節(jié)都向左循環(huán)移動一格。同理，第三列及第四列向左循環(huán)位移的偏移量就分別是2和3。128位元和192位元的區(qū)塊在此步驟的循環(huán)位移模式的模式相同。經(jīng)過<tt>ShiftRows</tt>之后，矩陣中每一直行，都是由輸入矩陣中的每個不同列中的元素組成。Rijndael算法的版本中，偏移量和AES有少許不同；對于長度256位元的區(qū)塊，第一列仍然維持不變，第二列、第三列、第四列的偏移量分別是1字節(jié)、2字節(jié)、4字節(jié)。除此之外，<tt>ShiftRows</tt>操作步驟在Rijndael和AES中完全相同。

<tt>MixColumns</tt> 步驟

在 <tt>MixColumns</tt> 步驟中，每個直行都在modulo x4 + 1之下，和一個固定多項式 c(x) 作乘法。

在<tt>MixColumns</tt>步驟，每一直行的四個字節(jié)透過線性變換互相結合。每一直行的四個元素分別當作1,x,x2,x3的系數(shù)，合并即為GF(28)中的一個多項式，接著將此多項式和一個固定的多項式c(x) = 3x3 + x2 + x + 2在modulo x4 + 1下相乘。此步驟亦可視為 Rijndael有限域之下的矩陣乘法。<tt>MixColumns</tt>函數(shù)接受4個字節(jié)的輸入，輸出4個字節(jié)，每一個輸入的字節(jié)都會對輸出的四個字節(jié)造成影響。因此<tt>ShiftRows</tt>和<tt>MixColumns</tt>兩步驟為這個密碼系統(tǒng)提供了擴散性。
以下條目有對<tt>MixColumns</tt>更加詳細的描述：Rijndael mix columns

加密算法優(yōu)化
使用32或更多位元尋址的系統(tǒng)，可以事先對所有可能的輸入建立對應表，利用查表來實作<tt>SubBytes</tt>，<tt>ShiftRows</tt> 和 <tt>MixColumns</tt>步驟以達到加速的效果。這么作需要產(chǎn)生4個表，每個表都有256個格子，一個格子記載32位元的輸出；約占去4KB( 4096 字節(jié) )內(nèi)存空間，即每個表占去 1KB 的內(nèi)存空間。如此一來，在每個加密循環(huán)中，只需要查16次表，作12次32位元的XOR運算，以及<tt>AddRoundKey</tt>步驟中4次32位元XOR運算。
若使用的平臺內(nèi)存空間不足4KB，也可以利用循環(huán)交換的方式一次查一個256格32位元的表。

安全性

截至2006年，針對AES唯一的成功攻擊是旁道攻擊。美國國家安全局審核了所有的參與競選AES的最終入圍者（包括Rijndael），認為他們均能夠滿足美國政府傳遞非機密文件的安全需要。2003年6月，美國政府宣布AES可以用于加密機密文件：
<blockquote class="toccolours" style="float: none; padding: 0.3em 1em;">
The design and strength of all key lengths of the AES algorithm (i.e., 128, 192 and 256) are sufficient to protect classified information up to the SECRET level. TOP SECRET information will require use of either the 192 or 256 key lengths. The implementation of AES in products intended to protect national security systems and/or information must be reviewed and certified by NSA prior to their acquisition and　use.[3]
</blockquote>
（譯：AES加密算法（使用128，192，和256位元密鑰的版本）的安全性，在設計結構及密鑰的長度上俱已到達保護機密資訊的標準。最高機密資訊的傳遞，則至少需要192或256位元的密鑰長度。用以傳遞國家安全資訊的AES實作產(chǎn)品，必須先由國家安全局審核認證，方能被發(fā)放使用。）
這標志著，由美國國家安全局NSA批準在最高機密資訊上使用的加密系統(tǒng)首次可以被公開使用。許多大眾化產(chǎn)品只使用128位元密鑰當作默認值；由于最高機密文件的加密系統(tǒng)必須保證數(shù)十年以上的安全性，故推測NSA可能認為128位元太短，才以更長的密鑰長度為最高機密的加密保留了安全空間。
通常破解一個區(qū)塊加密系統(tǒng)最常見的方式，是先對其較弱版本（加密循環(huán)次數(shù)較少）嘗試各種攻擊。AES中128位元密鑰版本有10個加密循環(huán)，192位元密鑰版本有12個加密循環(huán)，256位元密鑰版本則有14個加密循環(huán)。至2006年為止，最著名的攻擊是針對AES 7次加密循環(huán)的128位元密鑰版本，8次加密循環(huán)的192位元密鑰版本，和9次加密循環(huán)的256位元密鑰版本所作的攻擊。[4]
由于已遭破解的弱版的AES，其加密循環(huán)數(shù)和原本的加密循環(huán)數(shù)相差無幾，有些密碼學家開始擔心AES的安全性：要是有人能將該著名的攻擊加以改進，這個區(qū)塊加密系統(tǒng)就會被破解。在密碼學的意義上，只要存在一個方法，比暴力搜尋密鑰還要更有效率，就能被視為一種“破解”。故一個針對AES 128位元密鑰的攻擊若“只”需要2120計算復雜度（少于暴力搜尋法　2128），128位元密鑰的AES就算被破解了；即便該方法在目前還不實用。從應用的角度來看，這種程度的破解依然太不切實際。最著名的暴力攻擊法是distributed.net針對64位元密鑰RC5所作的攻擊。（該攻擊在2002年完成。根據(jù)摩爾定律，到2005年12月，同樣的攻擊應該可以破解66位元密鑰的RC5。）
其他的爭議則著重于AES的數(shù)學結構。不像其他區(qū)塊加密系統(tǒng)，AES具有相當井然有序的代數(shù)結構。[3]雖然相關的代數(shù)攻擊尚未出現(xiàn)，但有許多學者認為，把安全性建立于未經(jīng)透徹研究過的結構上是有風險的。Ferguson，Schroeppel 和 Whiting 因此寫道：“...我們很擔心 Rijndael [AES] 算法應用在機密系統(tǒng)上的安全性�！盵5]
2002年，Nicolas Courtois 和 Josef Pieprzyk發(fā)表名為XSL 攻擊的理論性攻擊，試圖展示AES一個潛在的弱點。但幾位密碼學專家發(fā)現(xiàn)該攻擊的數(shù)學分析有點問題，推測應是作者的計算有誤。因此，這種攻擊法是否對AES奏效，仍是未解之謎。就現(xiàn)階段而言，XSL攻擊AES的效果不十分顯著，故將之應用于實際情況的可能性并不高。

旁道攻擊
旁道攻擊不攻擊密碼本身，而是攻擊那些實作于不安全系統(tǒng)（會在不經(jīng)意間泄漏資訊）上的加密系統(tǒng)。
2005年4月，D.J. Bernstein公布了一種緩存時序攻擊法，他以此破解了一個裝載OpenSSL AES加密系統(tǒng)的客戶服務器。為了設計使該服務器公布所有的時序資訊，攻擊算法使用了2億多條篩選過的明碼。有人認為，對于需要多個跳躍的國際互聯(lián)網(wǎng)而言，這樣的攻擊方法并不實用。 [4]Bruce Schneier稱此攻擊為“好的時序攻擊法”。[5]
2005年10月，Adi Shamir和另外兩個研究員發(fā)表了一篇論文，展示了數(shù)種針對AES的緩存時序攻擊法(PDF)。其中一種攻擊法只需要800個寫入動作，費時65毫秒，就能得到一把完整的AES密鑰。但攻擊者必須在執(zhí)行加密的系統(tǒng)上擁有執(zhí)行程式的權限，方能以此法破解該密碼系統(tǒng)。

另見

高級加密系統(tǒng)甄選流程

通信詞典解釋