发布时间 : 星期六 文章AES算法用于保护文档的机密性 - 图文更新完毕开始阅读03d74ee0b9f3f90f77c61b08
1. AES算法分析
1.1 AES算法产生背景
作为传统对称加密算法标准DES的替代者，由美国国家标准与技术研究所（NIST）于1997年面向全球提出征集该算法的公告，要求分组大小为128位，允许3个不同的密钥大小，即128位，192位或256位，算法必须是可公开的。1999年3月22日，NIST从15个候选算法中公布了5个候选算法进入第二轮选择：MARS，RC6，Rijndael，SERPENT和Twofish。2000年10月2日，以安全性（稳定的数学基础，没有算法弱点，算法抗密码分析的强度，算法输出的随机性），性能（必须能在多种平台上以较快的速度实现），大小（不能占用大量的存储空间和内存），实现特性（灵活性，硬件和软件适应性，算法的简单性等）为标准而最终选定了两个比利时研究者Vincent Rijmen和Joan Daemen发明的Rijndael算法。并于2001年12月正式发布了AES标准（FIPS 197）。 该算法是迭代分组密码算法，其分组长度和密钥长度都可改变，该算法的扩充形式允许分组长度和密钥长度以32b的步长，从128b到256b范围内进行特定的变化。该算法的主要优点是：设计简单，密钥建立时间短，且灵敏良好，需要的内存空间少，在所有平台上运行良好，支持并行处理，抗所有已知攻击。
1.2 AES算法原理
堆成密码算法根据对明文消息加密方式的不同，可分为两大类；即分组密码和流密码。分组密码将消息分为固定长度的分组，输出的密文分组通常与输入的明文分组长度相同。AES算法属于分组密码算法，它的输入分组，输出分组以及加/解密过程中的中间分组都是128比特。密钥的长度k为128,192，或265比特。用Nk-4,6,8代表密钥串的字数（1字--32比特），在本文编制的程序中由用户选定。用Nr表示对一个数据分组加密的轮数（加密轮数与密钥长度的关系见表1）。每一轮都需要一个和输入分组具有同样长度（128比特）的扩展密钥Kc的参与。由于外部输入的加密密钥K长度有限，所以在AES中要用一个密钥扩展程序把外部密钥K扩展成更长的比特串，以生成各轮的加密密钥。 1）加密变换
设X是AES的128比特明文输入，Y是128比特的密文输出，则AES密文Y可以用下面的复合变换表示；Y=A k(r+1)*R*S*Akr*C*R*S*A(r-1)*****C*R*S*Akl(X)。其中“*”表示复合运算。这里Aki：表示对X的一个变换Aki(X)=X异或Ki(Ki为第i
轮的子密钥，为比特串的异或运算)。S:S是一个给定的转换表。R:行置换。C:列置换。S`(x)=a(x)异或s(x)
1.3 AES算法安全性分析
1）AES汇聚了安全性能，效率，可是线性和灵活性等优点，最大的优点是可以给出算法最佳差分特征的概率，并分析算法抵抗差分密码分析及线性密码分析的能力。AES对内存的需求非常低，也使它你适合用于资源受限制的环境。AES操作简单，并可抵御强大和实时的攻击.AES的密钥，分组和轮数的组合对应关系。 2）对AES密码的攻击大致有差分和线性分析攻击，变量法攻击和Square攻击等。
3）差分和线性分析攻击：差分和线性分析方法是到目前为止二种最有用的通用密码分析方法。对于这些攻击提供轮数低的复杂度是在设计AES密码时的最基本的准则。对于AES密码来说，已经证明对于一个4轮的AES密码来说,差分分析方法的概率上限是2-150，线性分析方法的概率上限是2-75。结合实际AES密码的轮数,这些轮数对于抵抗上述攻击能够提供足够的安全性。已经证明对于一个4轮的AES密码来说,差分分析方法的概率上限是2-150，线性分析方法的概率上限是2-75。结合实际AES密码的轮数，这些轮数对于抵抗上述攻击能够提供足够的安全性。
4）变量法攻击：在变量法公布之后，线性和差分攻击方法在某些方面已经做了扩展，也公布了一些和它相关的攻击方法。最好的扩展方法是截段差分分析法(truncated differentials)。但是在设计AES密码的时候就已经考虑到这种攻击方法,AES密码能够比较好地抵抗这种攻击。其他的攻击方法还有：不可能差分攻击：差分密码攻击是利用高概率特征或差分恢复密钥，不可能差分攻击是利用概率为0(或非常小)的特征或差分,其基本思想是排除那些导致概率为0(或非常小)的特征或差分的候选密钥。对5轮的AES密码，可以用不可能差分攻击方法，它要求229.5个选择明文、231个密文、242个存储字和226小时的预先处理时间，使得它可以攻击6轮的AES密码。但是对于轮数更高的AES密码，采用该方法攻击则没有更好的效果。
5）Square攻击：对AES密码分析最有效的就是Square攻击，它是一个选择明文攻击,通过研究基于字节结构的密文来进行攻击。它对于和AES密码的其中一轮有相似结构的任何密文都是有效的。这种攻击的其他名字还有“饱和攻击”这种攻击能够破解具有7轮的192位和256位AES密码),L.Knudsen和D.Wagner提出的“积分密码分析”，以及A.Biryukov和A.Shamir提出的“结构攻击”。最初的Square攻击对6~7轮的AES密码(例如AES-128和AES-192)的破解比穷尽密钥搜索攻击快。N.Ferguson等在减少破解的工作方面做了一些优化，因此，它能够在有256位相关密码的277个明文，2224个密文，破解9轮的AES-256密码。
1.4 AES算法应用
1）应用与无线网络中：
由于无线网络的通信信道较有线网络更为开发，安全性的要求更高。目前，无线网络主要有两个国际标准：一是用于WLAN的IEEE803.11协议（Wi-Fi）；二是用于WMAN的IEEE803.16协议（WiMAX）。这两个协议在制定初期所采用的安全机制分别为RC4和DES, 后来这两个协议也都将AES加入到协议的安全机制中。此外，为了保障数据传输安全性，其他的一些无线网络技术也都使用了AES加密算法。例如ZigBee技术，为确保MAC帧的完整性、机密性、真实性和一致性，其MAC层使用AES算法进行加密，并且生成一系列的安全机制。 ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率，低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中。 2）应用于电子商务中：
在电子商务方面，主要是AES在电子商务基础平台中的密码协议和交易安全协议中的应用。例如，将AES加密算法应用在SSL（Secure Sockets Layer安全套接层）协议中。在实施数据传输前，发送方通过身份认证后，用SSL安全通道发送AES密钥到接收方的同时，使用AES算法对实时数据加密，然后基于UDP协议通过互联网发送加密的实时数据到接收方。这样接收方可以用接收到的AES密钥得到具体的实时数据。此外，还可以研究将AES与其他一些公钥加密算法（非对称加密算法）相结合，设计出新的密码。目前比较典型的研究包括：AES加密算法与RSA加密算法相结合的混合加密体系；利用NTRU公钥密码体系分配AES密钥；AES加密算法与ECC（椭圆曲线加密算法）相结合的加密体系；AES加密算法在数据签名中的应用；AES加密算法在公钥加密体系PKI中的应用等等。 3）应用与软件中：
在AES软件实现方面，其应用领域包含语音、视频信息的加密，数据库中的数据加密等。随着计算机对多媒体信息处理能力的增强，多媒体信息加密的问题日渐凸显。由于多媒体信息的数据量很大，直接对其加密效率较低。所以，不仅要考虑数据加密算法AES的使用方法，还要设计相应的对多媒体信息进行加密的过程。关于AES加密算法在数据库方面的应用，主要在于如何在数据输入、输出中生成、分配和管理 所用的密钥以及安全的数据加密策略。 4）应用与硬件中：
在AES硬件实现方面，主要方向有射频IC卡中的数据安全、智能安全卡和对硬盘数据的加密等方面。目前射频IC卡的应用范围很广，如公交IC卡、校园一卡通、门禁卡和新一代的居民身份证中都嵌入了IC芯片。其中所存储的数据通常都含有持卡人的私人信息，这些信息如果不经过加密处理，很可能泄露出去。因此，如何在射频IC卡中加入数据加密功能是AES硬件应用的一个研究方向。随着密码技术的高速发展，高级加密标准AES加密算法将逐渐取代DES加密算法在IPSec、SSL和ATM中的使用，并广泛应用于虚拟专用网、远程访问服务器（RAS）、SONET（同步光网络）、高速ATM/Ethernet路由器、卫星通信、移动通信、电子金融业务等领域。此外，网络保密系统、财政保密、电子游戏保密等方面也将采用AES加密算法，将现有的关于AES研究成果与其他领域的相关技术与应用相结合，从应用的角度拓展数据加密技术，从而获得新的应用，是AES（Rijndeal）的发展方向。