密碼學(xué)專題 - 對稱加密算法 - AES 算法

高級加密標(biāo)準(zhǔn) (AES) 是美國政府制定用來取代 DES 算法的標(biāo)準(zhǔn)壳猜。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 (NIST) 并沒有采用委托設(shè)計的方法而是發(fā)起征集勾徽，尋求密碼學(xué)界的建議。共提交了 15 個提案统扳，其中 5 個被選入圍喘帚，最后 Rinjdael 算法被選中成為 AES，AES 在 2001 年成為標(biāo)準(zhǔn)咒钟。

AES 采用與 DES 不同的結(jié)構(gòu)吹由，并沒有采用 Fesitel 結(jié)構(gòu)。圖 3-2 表示了一輪 AES 算法的執(zhí)行細(xì)節(jié)朱嘴，隨后的幾輪執(zhí)行相似的步驟倾鲫。輸入 16 字節(jié) (128 位) 的明文，首先將明文與 16 字節(jié)的輪密碼進(jìn)行異或操作萍嬉，在圖中用 $\bigoplus$ 運算符來表示乌昔。然后進(jìn)入 8 位輸入 8 位輸出的 S 盒，這些 S 盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)均是相同的壤追。輸入后按照特定的順序重新排列輸出磕道。最后分為 4 個組，使用線性混合函數(shù)進(jìn)行異或運算得到輸出結(jié)果行冰。

一輪 AES 的結(jié)構(gòu).jpg

這就完成了一輪的運算溺蕉。整個 AES 算法的輪數(shù)為 10 ~ 14 輪，輪數(shù)的選擇取決于密鑰的長度悼做。AES 的密鑰長度為 128 位疯特、192 位、256 位贿堰。使用 128 位密鑰加密 10 輪辙芍，192 位密鑰加密 12 輪，256 位密鑰加密 14 輪羹与。AES 算法和 DES 算法一樣有一個子密鑰生成器來產(chǎn)生輪密鑰故硅，但子密鑰生成器有著不同的結(jié)構(gòu)。

AES 結(jié)構(gòu)有利也有弊纵搁。每一個執(zhí)行步驟都包含了多個并行運算吃衅，可以實現(xiàn)高速運算；另一方面腾誉，解密和加密運算完全不同徘层，需要逆轉(zhuǎn) S 盒的查找表，而且混合運算的逆運算也和原混合運算不同利职。

在 DES 算法中有一些功能相同的模塊趣效。異或運算把密鑰混到數(shù)據(jù)中，S 盒提供非線性猪贪，位變換和混合函數(shù)提供擴(kuò)散功能跷敬。AES 算法是一個非常清晰的設(shè)計，為分組密碼的各個部分劃分了清晰獨立的任務(wù)热押。

AES 算法一直是相當(dāng)積極的設(shè)計西傀。AES 的設(shè)計者曾經(jīng)描述了一個對執(zhí)行 6 輪的算法進(jìn)行攻擊的方法。這也意味著如果 AES 只被定義執(zhí)行 6 輪就會受到攻擊桶癣。因此作者提出了要根據(jù)密鑰的長度來選擇加密 10 ~ 14 輪拥褂。

在 AES 算法的選擇中，攻擊的方法已經(jīng)進(jìn)行了改進(jìn)牙寞，可以攻擊執(zhí)行 7 輪的 128 位密鑰饺鹃、8 輪的 192 位密鑰、9 輪的 256 位密鑰间雀。當(dāng)然尤慰，還要多預(yù)留出 3 ~ 5 輪的輪數(shù)以保證安全。從不同的角度來看：對于 128 位的密鑰雷蹂，在 Rijndael 被選為 AES 算法時最好的攻擊方法能夠攻擊 70% 的密碼算法伟端。換句話說，Rijndael 被選為 AES 是建立在未來攻擊方法都不會有大的改進(jìn)的前提之下的匪煌。

事實上责蝠，我們已經(jīng)看到了一些在 AES 密碼算法分析上取得的了不起的突破。有一種攻擊可以通過 4 個相關(guān)密鑰和 $2^{176}$ 次運算攻破 192 位密鑰的 12 輪 AES 算法萎庭。還有一種攻擊可以通過 4 個相關(guān)密鑰和 $2^{119}$ 次去處攻擊 256 位密鑰的 14 輪 AES霜医。另外，還有一種攻擊可以通過 2 個相關(guān)密鑰和 $2^{45}$ 次運算攻擊 256 位密鑰的 14 輪 AES 算法中的 10 輪驳规。

這些攻擊都取得了巨大的成果肴敛。這表明 AES 算法已經(jīng)不符合我們對分組密碼安全的定義。對于 192 位密鑰和 256 位密鑰 AES 算法的攻擊僅限于理論，在實際中不存在医男，所以目前不準(zhǔn)備對這些理論上的攻擊采取任何補(bǔ)救砸狞。但是根據(jù)攻擊的定義，192 位和 256 位的 AES 算法已經(jīng)從理論上被攻破镀梭，當(dāng)然刀森，隨著時間的推移更巧妙、更有效的攻擊可能會出現(xiàn)报账。

業(yè)界仍然為 AES 在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用而感到擔(dān)憂研底。我們知道現(xiàn)階段應(yīng)用 AES 是一個很合理的決定，因為它是美國政府的標(biāo)準(zhǔn)透罢，使用標(biāo)準(zhǔn)避免了很多爭議和問題榜晦，但必須認(rèn)識到，在今后的密碼學(xué)發(fā)展中仍然會遇到很多較嚴(yán)重的問題羽圃。如果你正在開發(fā)一個系統(tǒng)或者制定協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)乾胶，為了便于今后用另一種分組密碼替換 AES，建議你保證可擴(kuò)展性和靈活性统屈。

5 個 AES 候選算法分別為：Rijndael胚吁、Serpent、Twofish愁憔、RC6 和 MARS腕扶。

項目源代碼

項目源代碼會逐步上傳到 Github，地址為 https://github.com/windstamp吨掌。

Contributor

Windstamp, https://github.com/windstamp

5.2 密碼學(xué)專題 - 對稱加密算法 - AES 算法

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