33636

Advanced Encryption Standard (AES) - Алгоритм Rijndael

Доклад

Информатика, кибернетика и программирование

dvnced Encryption Stndrd ES Алгоритм Rijndel Инициатива в разработке ES принадлежит национальному институту стандартов США NIST. Основная цель состояла в создании федерального стандарта США который бы описывал алгоритм шифрования используемый для защиты информации как в государственном так и в частном секторе. В результате длительного процесса оценки был выбрал алгоритм Rijndel в качестве алгоритма в стандарте ES. Алгоритм Rijndel представляет собой симметричный алгоритм блочного шифрования с переменной длиной блока и переменной...

Русский

2013-09-06

317.5 KB

150 чел.

55. Advanced Encryption Standard (AES) - Алгоритм Rijndael

Инициатива в разработке AES принадлежит национальному институту стандартов США - NIST. Основная цель состояла в создании федерального стандарта США, который бы описывал алгоритм шифрования, используемый для защиты информации как в государственном, так и в частном секторе. В результате длительного процесса оценки был выбрал алгоритм Rijndael в качестве алгоритма в стандарте AES.

Алгоритм Rijndael представляет собой симметричный алгоритм блочного шифрования с переменной длиной блока и переменной длиной ключа. Длина блока и длина ключа могут быть независимо установлены в 128, 192 или 256 бит. Алгоритм использует линейно-подстановочные преобразования и состоит из 10, 12 или 14 раундов в зависимости от длины ключа. Блок данных, обрабатываемый с использованием алгоритма Rijndael, делится на массивы байтов, и каждая операция шифрования является байт-ориентированной.

Преобразование раунда алгоритма Rijndael не имеет структуру сети Фейстеля, а использует структуру типа SP-сеть (Substitution-Permutation network, подстановочно-перестановочная сеть) — разновидность блочного шифра, предложенная в 1971 году Хорстом Фейстелем. Ппреобразование каждого раунда состоит из четырех различных преобразований, называемых слоями. Каждый слой разрабатывался с учетом противодействия линейному и дифференциальному криптоанализу. В основу каждого слоя положена своя собственная функция.

Алгоритм Rijndael очень хорошо выполняется как в программной, так и в аппаратной реализации в широком диапазоне окружений, имеет небольшие требования к памяти, что делает его пригодным для окружений с ограниченными ресурсами. В этом случае он также демонстрирует отличное выполнение.

Алгоритм Rijndael может применяться в качестве алгоритма МАС. Для этого следует использовать блочный алгоритм в режиме СВС-МАС. Также существует много способов, с помощью которых алгоритм Rijndael можно использовать в качестве генератора псевдослучайных чисел.

Advanced Encryption Standard (AES), также известный как Rijndael – симметричный алгоритм блочного шифрования (размер блока 128 бит, ключ 128 бит), принятый в качестве стандарта шифрования правительством США по результатам конкурса AES.

Алгоритм представляет каждый блок кодируемых данных в виде двумерного массива байт размером 4х4 в зависимости от установленной длины блока. Далее на соответствующих этапах производятся преобразования либо над независимыми столбцами, либо над независимыми строками, либо вообще над отдельными байтами в таблице.

Алгоритм AES имеет следующую структуру:

В начале шифрования input (входной блок данных) копируется в массив State по определенному правилу (формула 1.1) для    и  , где  – число столбцов (32-х битных слов), составляющих State. Для AES  .

                                                         (1.1)

После этого к State применяется процедура AddRoundKey() и затем State проходит через процедуры трансформации (раунды). В итоге, после завершения последнего раунда трансформации, State копируется в output (выходной блок данных) по правилу (формула 1.2) для    и  .

                                                                                             (1.2)

Алгоритм состоит из некоторого количества раундов (для стандарта AES – 10 раундов), в которых последовательно выполняются следующие операции:

  1.  SubBytes – табличная подстановка (рис.5) – процедура, обрабатывающая каждый байт состояния, независимо производя нелинейную замену байтов, используя таблицу замен (S-box – нелинейная таблица замен, использующаяся в нескольких трансформациях замены байт). Такая операция обеспечивает нелинейность алгоритма шифрования. Таким образом, каждый байт в State заменяется соответствующим элементом в фиксированной 8-битной таблице поиска S.


Рис. 5 – Выполнение процедуры SubByte
s

  1.  ShiftRows – сдвиг строк в двумерном массиве на различные смещения (рис.6). При этой трансформации строки состояния циклически сдвигаются на  байт по горизонтали, в зависимости от номера строки. Для нулевой строки , для первой строки  и т.д. Таким образом, каждая колонка выходного состояния после применения процедуры ShiftRows состоит из байтов из каждой колонки начального состояния.


Рис. 6 – Выполнение процедуры ShiftRow
s

  1.  MixColumns – математическое преобразование, перемешивающее данные внутри столбца (рис.7). Четыре байта каждой колонки State смешиваются, используя для этого обратимую линейную трансформацию.


Рис. 7 – Выполнение процедуры MixColumn
s

  1.  AddRoundKey – добавление материала ключа операцией XOR (рис.8). RoundKey (ключ, генерируемый с помощью секретного ключа – CipherKey) каждого раунда объединяется со State. Для каждого раунда RoundKey  получается из CipherKey, используя процедуру KeyExpansion (каждый RoundKey такого же размера, что и State). Процедура производит побитовый XOR каждого байта State с каждым байтом RoundKey.

Рис. 8 – Выполнение процедуры AddRoundKey

В последнем раунде операция перемешивания столбцов отсутствует, что делает всю последовательность операций симметричной.

Так как алгоритм симметричный, при расшифровании производятся преобразования, обратные тем, что производятся при шифровании.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

63403. Рыночная организация: содержание и структура. Социально-экономические основы рыночного хозяйства 71 KB
  Эта классификация в известной мере условна, В действительности регулирование конкуренции осуществляется с использованием различных методов. При этом, например, командно-административные методы могут сочетаться с использованием системы цен...
63405. Обоснование режимов работы добывающих скважин при снижении забойного давления ниже давления насыщения пластовой нефти газом 391.5 KB
  Поэтому имеет место дополнительное снижение проницаемости системы по нефти жидкости которое определяется зависимостью фазовой проницаемости по нефти от газонасыщенности пласта в свою очередь зависящей от давления.
63406. Психологические особенности школьника старшего возраста 208.5 KB
  Они должны владеть своими психическими процессами подчиняя их определенным задачам жизни и деятельности. Ведущее место занимают мотивы связанные с самоопределением и подготовкой к самостоятельной жизни.
63407. Социально-экологические проблемы современности: рост населения, ресурсный кризис, изменение генофонда, возрастание общей агрессивности среды, новые виды воздействии 211 KB
  Интенсивное и нерациональное развитие орошаемого земледелия в бассейне рек Амурдарья и Сырдарья привело к тому что с 1960 года начал катастрофически понижаться уровень Аральского моря и сейчас он понизился на 18 метров. Состояние каспийского моря сейчас оценивается как предкризисное.
63408. Методы кодового разделения каналов 482.11 KB
  Наиболее типичными представителями протоколов данного типа являются многостанционный доступ с частотным разделением FDM многостанционный доступ с временным разделением TDM многостанционный доступ с кодовым разделением...
63409. ИНФОРМАЦИЯ О РАЗЛИЧНЫХ СУБД 739 KB
  За почти пятидесятилетнюю историю развития БД были созданы сотни различных программных продуктов, которые обеспечивали управление данными. Это были разработки как ведущих разработчиков программных средств (MS, IBM, Oracle, др.), так и программные средства некоторых организаций в России и за рубежом.
63410. Понятие экономической системы. Типы экономических систем. Историческая классификация экономических систем. Натуральное хозяйство, основные этапы его развития. Недостатки натурального хозяйства 74.5 KB
  Модели смешанной экономики. Модели организации экономики отличаются между собой по степени свободы принятия решений и участия рыночных отношений в процессе перераспределения имеющихся ресурсов. В рамках каждого типа экономической системы существуют свои национальные модели.
63411. Управление режимами работы добывающих и нагнетательных скважин при заводнении 614 KB
  Режимы работы скважин определяют скорость вытеснения нефти или депрессию давления в пласте градиенты давления в пласте. Оценка добывных возможностей скважин при заводнении При заводнении пласта закачиваемыми водами происходит снижение коэффициента продуктивности скважины.