Реализация криптоалгоритма AES на языке Python

Особенности AES
AES использует фиксированный размер блока данных — 128 бит, и три возможных длины ключа:
• 128 бит,
• 192 бит,
• 256 бит.
Эта гибкость в выборе длины ключа позволяет адаптировать уровень безопасности алгоритма под конкретные задачи. Например, для приложений с высокими требованиями к безопасности рекомендуется использовать ключ длиной 256 бит.
Количество раундов шифрования
Количество раундов шифрования в алгоритме AES зависит от длины ключа:
• 10 раундов для 128-битного ключа,
• 12 раундов для 192-битного ключа,
• 14 раундов для 256-битного ключа.
Каждый раунд состоит из четырех последовательных операций, которые выполняются над блоком данных:
1. SubBytes (замена байтов) — нелинейная подстановка, использующая таблицу S-box.
2. ShiftRows (сдвиг строк) — перестановка байтов внутри строк для увеличения диффузии.
3. MixColumns (смешивание столбцов) — линейное смешивание данных внутри столбцов.
4. AddRoundKey (добавление раундового ключа) — побитовое XOR сложение состояния с ключом текущего раунда.
Последний раунд шифрования немного отличается от остальных: в нем отсутствует операция MixColumns.
Принципы работы AES
Основная идея алгоритма AES заключается в обработке данных блоками фиксированного размера (128 бит) с использованием ключа заданной длины. Алгоритм включает следующие этапы:
1. Подготовка данных:
o Исходный текст разбивается на блоки размером 128 бит. Если последний блок меньше 128 бит, используется дополнение (padding), чтобы заполнить его до нужной длины.
o Генерируется или задается ключ шифрования, который используется на всех этапах.
2. Инициализация состояния:
o Каждый блок данных представляется в виде массива 4×4 байтов, который называется "состоянием" (state). Эти данные подвергаются множеству преобразований на каждом этапе шифрования.
3. Применение раундов:
o Каждый блок данных проходит несколько раундов преобразований. Каждый раунд включает операции, которые увеличивают диффузию и запутывание данных, делая их максимально защищенными от атак.
4. Выходные данные:
o После завершения всех раундов обработки блок преобразуется обратно в линейный массив байтов и объединяется с другими блоками, формируя зашифрованный текст.
Преимущества AES
AES обладает рядом уникальных характеристик, которые делают его предпочтительным для шифрования данных:
1. Высокая криптографическая стойкость:
o Нелинейные преобразования и многократные раунды шифрования делают алгоритм устойчивым к современным атакам, таким как дифференциальный и линейный криптоанализ.
2. Эффективность:
o Алгоритм разработан для высокой производительности как в программной, так и в аппаратной реализации.
3. Гибкость:
o Возможность выбора длины ключа позволяет адаптировать алгоритм для различных уровней безопасности.
4. Широкая поддержка:
o AES поддерживается большинством современных программных и аппаратных решений, включая банковские системы, сети передачи данных, мобильные устройства и шифровальные устройства.
Применение AES
Алгоритм AES получил широкое распространение в различных сферах:
• Банковская и финансовая сфера:
o AES используется для защиты финансовых транзакций, шифрования персональных данных клиентов и обеспечения безопасности банковских систем.
• Интернет-безопасность:
o Протоколы HTTPS и VPN широко используют AES для защиты передаваемых данных.
• Мобильные устройства:
o AES применяется для шифрования хранилищ данных и защиты информации на мобильных устройствах.