Вы когда-нибудь задумывались, почему никто не может прочитать вашу переписку в мессенджере или увидеть номер вашей карты при оплате онлайн?
Это не магия. Это AES — один из самых надежных и повсеместно используемых алгоритмов шифрования в мире. Он работает незаметно, но защищает буквально все: от банковских переводов до медицинских записей и ваших личных фото в облаке.
В этой статье разберем:
- что такое AES (Advanced Encryption Standard) и почему он стал мировым стандартом;
- в чем разница между AES-128, AES-192 и AES-256;
- пошаговый процесс шифрования — от S-Box до MixColumns;
- что такое Key Expansion и зачем нужна раундовая константа Rcon;
- почему режим ECB опасен, а CBC и GCM — безопасны.
- где вы сталкиваетесь с AES каждый день;
- можно ли взломать AES — и как его правильно использовать.
И главное — почему вам, даже если вы не криптограф, стоит знать об этом алгоритме.
AES — что это? Простыми словами
AES (от англ. Advanced Encryption Standard — «усовершенствованный стандарт шифрования») — это симметричный блочный алгоритм шифрования, принятый в качестве официального стандарта США в 2001 году. Сегодня его используют по всему миру: от смартфонов до военных систем.
Симметричный — значит, что для шифрования и расшифровки используется один и тот же ключ.
Блочный — значит, что данные разбиваются на блоки фиксированного размера. В случае AES — 128 бит (16 байт). Если сообщение короче — его дополняют. Если длиннее — разбивают на части.
AES заменил устаревший алгоритм DES и быстро стал золотым стандартом благодаря сочетанию высокой безопасности, высокой скорости и простоты реализации даже на слабых устройствах — вплоть до микроконтроллеров.
Интересный факт: оригинальное название алгоритма — Rijndael, по фамилиям бельгийских криптографов Joan Daemen и Vincent Rijmen. NIST немного адаптировал его под свои требования и получил AES.
Почему AES заменил DES?
До AES основным стандартом был DES (Data Encryption Standard) — алгоритм 1970-х с 56-битным ключом. Уже к 1990-м стало ясно: его можно взломать перебором. В 1998 году Electronic Frontier Foundation построила машину Deep Crack, которая взломала DES за 56 часов.
Появился 3DES — тройное применение DES. Он был надежнее, но в три раза медленнее и все еще уступал по безопасности.
NIST объявил открытый конкурс на новый стандарт. Требования:
- открытый алгоритм;
- высокая скорость на всех платформах;
- стойкость к известным атакам;
- простота реализации в железе.
Из 15 претендентов победил Rijndael — за счет баланса скорости, безопасности и гибкости.
AES-128, AES-192, AES-256: в чем разница?
Все три варианта используют один и тот же алгоритм, но отличаются длиной ключа и количеством раундов.
Чем длиннее ключ — тем больше возможных комбинаций. Перебор всех вариантов для AES-128 займет миллиарды лет даже на самых мощных суперкомпьютерах. В то же время AES-256 считается практически неуязвимым даже к квантовым атакам.
Важно отметить, что для большинства задач AES-128 достаточно. AES-256 оправдан только в системах с повышенными требованиями — например, в банковской или военной сфере.
Как работает AES: пошагово
AES преобразует 128-битный блок данных за несколько повторяющихся этапов — раундов. Все операции происходят над матрицей 4×4 байта — это и есть ваш блок.
Каждый раунд (кроме последнего) состоит из четырех шагов:
1. SubBytes — нелинейная подстановка через S-Box
Каждый байт заменяется на другой по специальной таблице — S-Box. Эта таблица построена на математике конечного поля GF(2⁸) и делает шифр нелинейным, что критически важно для защиты от анализа.
Сначала для байта находится обратный элемент в поле Галуа. Затем к результату применяется аффинное преобразование — сложная перестановка битов. Все это гарантирует эффект «лавины»: даже изменение одного бита в исходных данных радикально меняет шифротекст.
Почему это важно? Без нелинейности шифр можно было бы взломать с помощью линейного криптоанализа.
Поле Галуа GF(2⁸) — это особая математическая система, в которой числа от 0 до 255 складываются и умножаются по строгим правилам, отличным от обычной арифметики. Именно эти правила делают шифр устойчивым к взлому.
2. ShiftRows — сдвиг строк
Строки матрицы циклически сдвигаются влево:
- 1-я — не меняется;
- 2-я — на 1 позицию;
- 3-я — на 2;
- 4-я — на 3.
Это создает диффузию: байты из одного столбца перемещаются в разные — и в следующем шаге будут перемешаны с разными данными.
3. MixColumns — перемешивание столбцов
Каждый столбец умножается на фиксированную матрицу в поле Галуа GF(2⁸). Это обеспечивает, что каждый байт в столбце влияет на все остальные.
Упрощенно:
A' = 2·A ⊕ 3·B ⊕ C ⊕ D
(где ⊕ — XOR, а умножение — в поле Галуа).
В последнем раунде MixColumns не применяется — к этому моменту данные уже достаточно перемешаны.
4. AddRoundKey — наложение ключа
Состояние складывается по модулю 2 (XOR) с раундовым ключом — частью расширенного секретного ключа. Это единственный шаг, зависящий от ключа. Все остальное — открытый алгоритм.
XOR — обратимая операция: если C = A ⊕ K, то A = C ⊕ K. Это позволяет легко расшифровать данные при наличии ключа.
Как генерируются раундовые ключи? Key Expansion
Исходный ключ (128/192/256 бит) не используется напрямую. Сначала запускается Key Expansion — процесс, который генерирует Nr + 1 раундовых ключей.
Он работает так:
- Исходный ключ разбивается на 4-байтовые слова.
Новые слова генерируются по формуле:
W[i] = W[i-1] ⊕ T(W[i-4]),
- где T — функция, включающая:
- циклический сдвиг;
- замену через S-Box;
- XOR с раундовой константой Rcon.
Зачем нужен Rcon? Без констант все раундовые ключи были бы симметричны, и шифр стал бы уязвим. Rcon ломает эту симметрию.
Пример: для AES-128 нужно 11 ключей (10 раундов + начальный). Из 16 байт исходного ключа генерируется 176 байт расписания.
Режимы работы AES: CBC, ECB, GCM и другие
Сам по себе AES шифрует только один блок (128 бит). Чтобы зашифровать длинное сообщение, используются режимы работы.
ECB (Electronic Codebook) — простой, но опасный
Каждый блок шифруется независимо. Одинаковые блоки → одинаковый шифротекст.
Простой пример уязвимости такого режима работы: если зашифровать изображение в ECB, силуэты объектов останутся видны — потому что одинаковые пиксели дают одинаковый шифр.
Никогда не используйте ECB в реальных системах.
CBC (Cipher Block Chaining) — стандарт де-факто
Каждый блок XOR-ится с предыдущим шифротекстом перед шифрованием. Для первого блока используется вектор инициализации (IV) — случайное значение.
Требования к IV:
- Должен быть уникальным для каждого шифрования;
- Может быть публичным, но не предсказуемым.
CBC используется в TLS, BitLocker, OpenVPN.
GCM (Galois/Counter Mode) — современный стандарт
Сочетает шифрование в режиме счетчика (CTR) с аутентификацией через поле Галуа. Проверяет, не был ли шифротекст изменен.
Преимущества данного режима работы:
- Высокая скорость (параллелизация);
- Встроенная защита от подмены данных.
Используется в HTTPS (TLS 1.2+), Wi-Fi (WPA3), SSH.
Безопасен ли AES сегодня?
Конечно безопасен, если реализован правильно.
- Перебор ключа AES-128 требует ~2¹²⁸ операций. Это физически невозможно даже для суперкомпьютеров.
- AES-256 устойчив даже к квантовым атакам (алгоритм Гровера снижает сложность до 2¹²⁸, что все еще нереально).
Но уязвимости возникают не в самом AES, а в его реализации:
- Атаки по времени: если время шифрования зависит от ключа.
Защита: используйте аппаратное ускорение AES-NI. - Кэш-атаки: утечка через процессорный кэш.
Защита: константное время выполнения. - Слабые IV: повторяющийся вектор в CBC.
Защита: всегда используйте криптографически стойкий генератор случайных чисел.
Где используется AES?
- HTTPS/TLS — шифрование веб-трафика между браузером и сервером.
- Wi-Fi — WPA2 и WPA3 используют AES в режиме CCMP (на базе CBC/GCM).
- Шифрование дисков — BitLocker (Windows), FileVault (macOS), LUKS (Linux).
- Мессенджеры — Signal, WhatsApp, Telegram (локальное шифрование хранилища).
- Блокчейн и криптовалюты — защита приватных ключей в кошельках.
- Государственные и военные системы — AES-256 одобрен для защиты секретной информации.
AES — обязательный компонент в FIPS 140-2/3 — стандарте для криптографических модулей в США.
Аппаратная реализация: AES-NI
С 2010 года Intel и AMD встраивают в процессоры инструкции AES-NI (Advanced Encryption Standard New Instructions).
Преимущества:
- Шифрование в 10–20 раз быстрее;
- Защита от атак по времени;
- Энергоэффективность (важно для мобильных устройств).
Благодаря AES-NI шифрование диска или HTTPS-трафика почти не нагружает CPU.
Практические советы: как использовать AES правильно
- Не пишите свой AES — используйте проверенные библиотеки: OpenSSL, libsodium, Bouncy Castle.
- Выбирайте режим: GCM > CBC > ECB (никогда).
- Генерируйте IV случайно — через /dev/urandom или crypto.getRandomValues().
- Не используйте статические ключи — применяйте ключи сессии.
- Включайте AES-NI, если доступно.
- Тестируйте реализацию — используйте NIST тестовые векторы.
Коротко об AES
- AES — симметричный блочный алгоритм шифрования с блоком 128 бит.
- Существует в трех вариантах: AES-128, AES-192, AES-256. Последний — самый надежный.
- Работает в режимах: ECB (опасен), CBC (популярен), GCM (рекомендуется для новых систем).
- Вектор инициализации (IV) должен быть уникальным для каждой сессии.
- Используется везде: HTTPS, Wi-Fi, мессенджеры, архиваторы, ОС.
- Считается практически невзламываемым при правильном использовании.
- Часто работает в паре с RSA: RSA передает ключ, AES шифрует данные.
AES — это не просто алгоритм. Это фундамент доверия в цифровом мире. Благодаря ему вы можете:
- оплатить покупки картой онлайн;
- хранить свои фото в облаке;
- общаться в мессенджерах, не боясь слежки;
- подключаться к публичному Wi-Fi без риска.
Он надежен, быстр, стандартизирован и проверен десятилетиями использования.
Вам не нужно запоминать, как работает MixColumns или S-Box. Но полезно понимать: если где-то говорят «шифрование AES-256» — это хороший знак. А если «AES в режиме ECB» — стоит насторожиться.
