رمزنگاری AES چیست ؟ آشنایی، کاربرد و ویژگی ها

رمزنگاری AES (Advanced Encryption Standard) یکی از پرکاربرد ترین و امن‌ ترین الگوریتم‌های رمزنگاری در جهان است. این استاندارد رمزنگاری متقارن توسط موسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) در سال 2001 به‌ عنوان جایگزینی برای الگوریتم قدیمی DES (Data Encryption Standard) معرفی شد.

رمزنگاری به فرآیندی گفته میشود که در آن اطلاعات به صورت امن ذخیره یا انتقال می‌یابند. در این فرآیند اطلاعات الکترونیکی به گونه‌ ای محافظت میشوند که خواندن یا ایجاد تغییر در آنها فقط توسط افراد مجاز ممکن باشد. سیستم رمزنگاری با استفاده از الگوریتم‌ها و توابع ریاضیاتی پیچیده انجام میشود و هدف آن حفاظت از اطلاعات و هویت اشخاص در دنیای دیجیتالی امروز میباشد. یکی الگوریتم‌ های استاندارد رمزنگاری که امنیت و کاربرد گسترده‌ای دارد، دستورالعمل AES (Advanced Encryption Standard) است که در این مقاله از نگاوید به آن خواهیم پرداخت. با ما همراه باشید

آشنایی با رمزنگاری AES به زبان ساده

رمزنگاری AES از نوع الگوریتم رمزنگاری متقارن (روشی که در آن فرستنده و گیرنده از یک کلید مشترک برای رمزنگاری و رمزگشایی داده‌ها استفاده میکنند) است که به دلیل مزایای بسیار خود، در بسیاری از سیستم‌ ها کاربرد دارد:

• امنیت بالا: AES از قوی‌ ترین پروتکل‌های امنیتی است که هک کردن آن بسیار دشوار میباشد. یکی از دلایل این امر، استفاده AES از کلیدهای طولانی‌تری مانند 128، 192 و 256 بیت برای رمزنگاری است که نفوذ و حملات را تقریباً غیرممکن میسازد.
• قابلیت پیاده سازی در نرم افزار و سخت افزار: این الگوریتم را میتوان در سیستم‌های کامپیوتری و با استفاده از نرم‌افزارهای مورد نیاز اجرا کرد. همچنین استفاده از قطعات مخصوص رمزنگاری AES در دستگاه‌ها نیز امکان پذیر است.
• انعطاف پذیری بالا: قابلیت اجرا در دستگاه‌ها و سیستم‌های مختلف و قابلیت انتخاب حالت‌های کاری گوناگون، AES را به پروتکلی انعطاف پذیر و کاربردی تبدیل کرده است.
• سرعت و سهولت: یادگیری آسان و سهولت در استفاده از این پروتکل، به همراه سرعت پردازش بالای آن در حجم زیاد اطلاعات، از دیگر مزیت‌های AES محسوب میشود.

کاربرد های الگوریتم AES

گفتیم که الگوریتم AES به دلیل ساختار و نحوه عملکرد آن، از امنیت بالایی برخوردار است به طوری که کرک کردن، شکستن و هک کردن آن توسط افراد غیر مجاز (که کلید مشترک این پروتکل را برای رمزگشایی داده‌ها در اختیار ندارند) عملاً غیرممکن است. به همین دلیل این رمزنگاری به انتخاب اول برای امنیت در دنیای سایبری تبدیل شده است. در ادامه به مهم‌ترین و رایج‌ترین کاربردهای AES میپردازیم:

• بانک‌ها و مؤسسات مالی: حفاظت از اطلاعات شخصی و حساس مشتریان.
• مؤسسات درمانی: حفاظت از پرونده‌های پزشکی بیماران.
• سازمان‌های دولتی و امنیتی: حفاظت از اطلاعات محرمانه و ارتباطات بین افراد رده بالا.
• حافظه‌ها و محیط‌های ابری: حفاظت از اطلاعات ذخیره سازی شده کاربران.
• شبکه‌های وای فای: جلوگیری از حملات سایبری و نفوذ به شبکه.
• پیام رسان‌ها: حفاظت از اطلاعات کاربران و رمزنگاری ارتباطات آنان.

رمزنگاری AES چگونه کار میکند ؟

و اما سوال اصلی این است که الگوریتم AES چگونه اطلاعات را از حالت خوانا به غیرقابل خواندن رمزنگاری میکند؟ در ادامه سعی کردیم مراحل این کار را به طور ساده شرح دهیم:

1. در ابتدا داده‌ها به بلوک‌های 128 بیتی تقسیم بندی و در چندین دور پردازش میشوند. یا در حالتی دیگر داده‌هایی که قرار است رمزگذاری شوند، به چند بخش تقسیم میشوند، به طوری که حجم هر بخش 128 بیت باشد.
2. مرحله (Key expansion): ایجاد کلیدهای Round keyبرای رمزنگاری و رمزگشایی داده‌ها که می‌تواند 128 بیت، 192 بیت یا 256 بیت باشد و ترکیب آنها با بلوک داده‌ها.
3. مرحله (SubBytes): بیت‌های بلوک داده‌ها با استفاده جدول جایگشتی تغییر کرده و باعث ایجاد پیچیدگی و به هم ریختگی در داده‌ها میشود.
4. در این مرحله (ShiftRows) هر ردیف/سطر از ماتریس داده‌های پراکنده، جا به جا میشوند تا داده‌ها بیشتر به هم ریخته شوند:

• سطر اول: بدون جابجایی باقی می‌ماند.
• سطر دوم: یک بایت به سمت چپ جابجا می‌شود.
• سطر سوم: دو بایت به سمت چپ جابجا می‌شود.
• سطر چهارم: سه بایت به سمت چپ جابجا می‌شود.

5. در مرحله بعد (MixColumns)، نوبت به جا به جایی و ترکیب ستون‌ها میرسد که این کار با استفاده از توابع ریاضیاتی انجام میشود.
6. AddRoundKey یا اضافه کردن مجدد کلیدهای نهایی به اطلاعات که نتیجه نهایی را رقم میزند.
7. در مرحله آخر، بسته به طول و ساختار کلید نهایی، مراحل فوق مجدداً تکرار میشوند تا امنیت کلید نهایی تضمین شود.

• :AES-128 bit که یک کلید 128 بیتی تولید می کند و شامل یک پروسه 10 مرحله ای است.
• :AES-192 bit که یک کلید 192 بیتی تولید می کند و شامل یک پروسه 12 مرحله ای است.
• :AES-256 bit که یک کلید 256 بیتی تولید می کند و شامل یک پروسه 14 مرحله ای است.

این مراحل با جا به جایی و آشفته کردن داده ها، ساختن کلیدی واحد برای رمزگزاری رمزگشایی و تکرار چند باره، اطلاعات Plaintext یا متن ساده را به رمزمتن یا Ciphertext تبدیل میکند.

همانطور که اشاره کردیم، استاندارد AES یک رمزنگاری متقارن است، بنابراین فرآیند رمزگشایی اطلاعات آن با استفاده از کلید نهایی اصلی انجام میشود. یعنی با استفاده از این کلید مشترک و فرآیند معکوس کردن مراحل بالا، میتوان دوباره داده‌ها را رمزگشایی کرد.

تفاوت های الگوریتم AES با DES

گفتیم که رمزنگاری AES در سال 2001 به عنوان الگوریتم استاندارد انتخاب شد و در واقع جایگزینی بود برای الگوریتم پیشین به نام Data Encryption Standard یا DES که تا سال 1977 مورد استفاده قرار میگرفت. DES نیز یک الگوریتم متقارن است و با طول کلید آن 56 بیت و 16 مرحله عملیات و پردازش، بلوک‌ های 64 بیتی داده‌ها را رمزنگاری میکند.

اما در مقایسه با AES، این رمزنگاری قدیمی دارای ضعف‌های امنیتی است. AES با طول کلیدهای بلندتر و طراحی پیچیده‌ تر و نیز تکرار بیشتر مراحل و پردازش‌ها، در مقابل حملات تحلیلی و حملات Brute Force مقاوم میباشد.

• در حملات سایبری Brute Force، همه ترکیب‌های ممکن برای یافتن کلید نهایی، به منظور رمزگشایی داده‌ها، محاسبه و امتحان میشوند. ساختار پیچیده AES با طول کلید بیشتر و به طبع افزایش نمایی تعداد ترکیب‌ها، عملاً این کار را غیر ممکن میسازد. در حالی که کلید رمز کوتاه DES، آنرا آسیب‌پذیر میکند.
• در حملات مختلف تحلیلی، اطلاعات و روابط میان ورودی‌ها و خروجی‌ها تجزیه و تحلیل میشوند تا به تغییرات و الگوهای ثابت و نتیجتاً راهی برای رمزگشایی داده‌ها به دست آید. جابه‌جایی ها، ترکیب٬‌های پیچیده و متغیر، جایگزینی‌ها و جایگشت‌ها و نهایتاً کلیدها و دورهای طولانی در AES، این حملات را بسیار دشوار میکند. در مقابل، رمزنگاری DES از پیچیدگی ساختار کمتری بهره میبرد.

تفاوت بین AES و RSA

نتیجه گیری

در دنیای دیجیتالی امروز، مبحث امنیت و حفاظت از داده‌های افراد و سازمان‌ها، اهمیت بسیاری دارد. از آنجایی که این روزها اطلاعات افراد در دستگاه‌های دیجیتال و محیط سایبری ذخیره و منتقل میشوند، امکان دسترسی افراد غیرمجاز به این داده‌ها و سوء استفاده از آنها، تهدیدی جدی به حساب می‌آید.

برای مقابله با این حملات سایبری و حفاظت از حریم خصوصی افراد، میتوان از الگوریتم‌های پیچیده رمزنگاری در سخت‌ افزار ها و نرم‌ افزار ها استفاده کرد. یکی از مهم ترین پروتکل‌های امنیتی که در این مقاله به آن پرداختیم، استاندارد رمزنگاری پیشرفته یا AES است که به دلیل ویژگی‌ها، مزایا و نحوه عملکرد منحصربه فردش، در حوزه‌های مختلف کاربرد دارد.