Padrão de criptografia avançado

O algoritmo de criptografia simétrica mais popular e amplamente adotado que provavelmente será encontrado hoje em dia é o Advanced Encryption Standard (AES). É encontrado pelo menos seis vezes mais rápido que o DES triplo.

Foi necessário substituir o DES porque o tamanho da chave era muito pequeno. Com o aumento do poder de computação, ele foi considerado vulnerável contra ataques exaustivos de busca por chave. O DES triplo foi projetado para superar essa desvantagem, mas foi considerado lento.

As características do AES são as seguintes -

Cifra de bloco simétrico de chave simétrica
Dados de 128 bits, chaves de 128/192/256 bits
Mais forte e mais rápido do que Triple-DES
Fornece especificações completas e detalhes de design
Software implementável em C e Java

Operação de AES

AES é uma cifra iterativa em vez de Feistel. É baseado na 'rede de substituição-permutação'. É composto por uma série de operações vinculadas, algumas das quais envolvem a substituição de entradas por saídas específicas (substituições) e outras envolvem a troca de bits (permutações).

Curiosamente, o AES executa todos os seus cálculos em bytes, em vez de bits. Portanto, o AES trata os 128 bits de um bloco de texto simples como 16 bytes. Esses 16 bytes são organizados em quatro colunas e quatro linhas para processamento como uma matriz -

Ao contrário do DES, o número de rodadas no AES é variável e depende do comprimento da chave. O AES usa 10 rodadas para chaves de 128 bits, 12 rodadas para chaves de 192 bits e 14 rodadas para chaves de 256 bits. Cada uma dessas rodadas usa uma chave redonda diferente de 128 bits, que é calculada a partir da chave AES original.

O esquema da estrutura AES é dado na ilustração a seguir -

Processo de criptografia

Aqui, nos restringimos à descrição de uma rodada típica de criptografia AES. Cada rodada é composta por quatro subprocessos. O processo da primeira rodada é descrito abaixo -

Substituição de Byte (SubBytes)

Os 16 bytes de entrada são substituídos olhando-se uma tabela fixa (S-box) fornecida no design. O resultado é uma matriz de quatro linhas e quatro colunas.

Shiftrows

Cada uma das quatro linhas da matriz é deslocada para a esquerda. Quaisquer entradas que 'caiam' são reinseridas no lado direito da linha. A mudança é realizada da seguinte forma -

A primeira linha não é deslocada.
A segunda linha é deslocada um (byte) posição para a esquerda.
A terceira linha é deslocada duas posições para a esquerda.
A quarta linha é deslocada três posições para a esquerda.
O resultado é uma nova matriz consistindo nos mesmos 16 bytes, mas deslocados em relação um ao outro.

MixColumns

Cada coluna de quatro bytes agora é transformada usando uma função matemática especial. Esta função recebe como entrada os quatro bytes de uma coluna e produz quatro bytes completamente novos, que substituem a coluna original. O resultado é outra nova matriz composta por 16 novos bytes. Ressalta-se que esta etapa não é realizada na última rodada.

Addroundkey

Os 16 bytes da matriz são agora considerados como 128 bits e são XORed para os 128 bits da chave redonda. Se esta for a última rodada, a saída será o texto cifrado. Caso contrário, os 128 bits resultantes são interpretados como 16 bytes e começamos outra rodada semelhante.

Processo de descriptografia

O processo de descriptografia de um texto cifrado AES é semelhante ao processo de criptografia na ordem inversa. Cada rodada consiste em quatro processos conduzidos na ordem inversa -

Adicionar chave redonda
Colunas de mistura
Mudar de linha
Substituição de byte

Como os subprocessos em cada rodada ocorrem de maneira reversa, ao contrário de uma codificação Feistel, os algoritmos de criptografia e descriptografia precisam ser implementados separadamente, embora estejam intimamente relacionados.

Análise AES

Na criptografia atual, o AES é amplamente adotado e suportado tanto em hardware quanto em software. Até o momento, nenhum ataque criptanalítico prático foi descoberto contra AES. Além disso, o AES possui flexibilidade integrada de comprimento de chave, o que permite um certo grau de 'proteção futura' contra o progresso na capacidade de realizar pesquisas de chave exaustivas.

No entanto, assim como para o DES, a segurança do AES é garantida apenas se for corretamente implementado e um bom gerenciamento de chaves for empregado.