Tiêu chuẩn mã hóa dữ liệu AES là gì và các chế độ hoạt động của AES phần 1

Dịch vụ sao lưu dữ liệu trực tuyến Cloud Backup hiện mã hóa dữ liệu theo các tiêu chuẩn mã hóa mới nhất, đảm bảo sao lưu dữ liệu an toàn.

Tiêu chuẩn Advanced Encryption Standard (AES) - Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến là một thuật toán tiêu chuẩn của chính phủ Hoa Kỳ nhằm mã hóa và giải mã dữ liệu do Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Hoa Kỳ (National Institute Standards and Technology– NIST) phát hành ngày 26/11/2001 và được đặc tả trong Tiêu chuẩn Xử lý thông tin Liên bang 197 (Federal Information Processing Standard – FIPS 197) sau quá trình kéo dài 5 năm trình phê duyệt, AES tuân theo mục 5131 trong Luật Cải cách quản lý công nghệ thông tin năm 1996 và Luật An toàn máy tính năm 1997.

AES là một thuật toán “mã hóa khối” (block cipher) ban đầu được tạo ra bởi hai nhà mật mã học người Bỉ là Joan Daemen và Vincent Rijmen. Kể từ khi được công bố là một tiêu chuẩn, AES trở thành một trong những thuật toán mã hóa phổ biến nhất sử dụng khóa mã đối xứng để mã hóa và giải mã (một số được giữ bí mật dùng cho quy trình mở rộng khóa nhằm tạo ra một tập các khóa vòng). Ở Việt Nam, thuật toán AES đã được công bố thành tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7816:2007 năm 2007 về Thuật toán mã hóa dữ liệu AES.

Đặc điểm kỹ thuật

AES là một thuật toán mã hóa khối đối xứng với độ dài khóa là 128 bít (một chữ số nhị phân có giá trị 0 hoặc 1), 192 bít và 256 bít tương ứng dọi là AES-128, AES-192 và AES-256. AES-128 sử dụng 10 vòng (round), AES-192 sử dụng 12 vòng và AES-256 sử dụng 14 vòng.

Vòng lặp chính của AES thực hiện các hàm sau: SubBytes(), ShiftRows(), MixColumns() và AddRoundKey(). Ba hàm đầu của một vòng AES được thiết kế để ngăn chặn phân tích mã bằng phương thức “mập mờ“ (confusion) và phương thức “khuếch tán“ (diffusion), còn hàm thứ tư mới thực sự được thiết kế để mã hóa dữ liệu. Trong đó “khuếch tán“ có nghĩa là các kiểu mẫu trong bản rõ (Dữ liệu đầu vào của phép mã hóa hoặc dữ liệu đầu ra của phép giải mã) được phân tán trong các bản mã (Dữ liệu đầu ra của phép mã hóa hoặc dữ liệu đầu vào của phép giải mã), “mập mờ“ nghĩa là mối quan hệ giữa bản rõ và bản mã bị che khuất. Một cách đơn giản hơn để xem thứ tự hàm AES là: Trộn từng byte (SubBytes), trộn từng hàng (ShiftRows), trộn từng cột (MixColumns) và mã hóa (AddRoundKey).

Đặc tả thuật toán AES

Đối với thuật toán AES, độ dài của khối đầu vào, khối đầu ra và trạng thái là 128 bít, số các cột (các từ có độ dài 32 bít) tạo nên trạng thái là Nb = 4.

Trong thuật toán AES, độ dài khóa mã K có thể là 128, 192 hay 256 bít. Độ dài khóa được biểu diễn bằng Nk = 4, 6 hoặc 8 thể hiện số lượng các từ 32 bít (số cột) của khóa mã.

Đối với thuật toán AES, số vòng được thay đổi trong quá trình thực hiện thuật toán phụ thuộc vào kích cỡ khóa. Số vòng này được ký hiệu là Nr. Nr = 10 khi Nk = 4, Nr = 12 khi Nk = 6 và Nr = 14 khi Nk = 8.

Các tổ hợp khóa-khối-vòng phù hợp đối với tiêu chuẩn này thể hiện trong Bảng 1. Việc thực hiện cụ thể thuật toán có liên quan đến độ dài khóa, kích cỡ khối và số vòng.

Bảng 1: Tổ hợp Khóa-khối-vòng

Đối với phép mã hóa và phép giải mã, thuật toán AES sử dụng một hàm vòng gồm bốn phép biến đổi byte như sau: phép thay thế byte (một nhóm gồm 8 bít) sử dụng một bảng thay thế (Hộp-S), phép dịch chuyển hàng của mảng trạng thái theo các offset (số lượng byte) khác nhau, phép trộn dữ liệu trong mỗi cột của mảng trạng thái, phép cộng khóa vòng và trạng thái. Các phép biến đổi này (cũng như các phép nghịch đảo tương ứng của chúng) được mô tả trong phần dưới đây.

Phép mã hóa

Tại thời điểm bắt đầu phép mã hóa, đầu vào được sao chép vào mảng trạng thái sử dụng các quy ước. Sau phép cộng khóa vòng khởi đầu, mảng trạng thái được biến đổi bẳng cách thực hiện một hàm vòng liên tiếp với số vòng lặp là 10, 12 hoặc 14 (tương ứng với độ dài khóa), vòng cuối cùng khác biệt không đáng kể với Nr-1 vòng đầu tiên. Trạng thái cuối cùng được chuyển thành đầu ra. Hàm vòng được tham số hóa bằng cách sử dụng một lược đồ khóa – mảng một chiều chứa các từ 4 byte nhận từ phép mở rộng khóa.

Phép biến đổi cụ thể gồm SubBytes(), ShiftRows(), MixColumns() và AddRoundKey() dùng để xử lý trạng thái. 

SubBytes()

Phép biến đổi dùng trong phép mã hóa áp dụng lên trạng thái (kết quả mã hóa trung gian, được mô tả dưới dạng một mảng chữ nhật của các byte) sử dụng một bảng thay thế byte phi tuyến (Hộp S – bảng thay thế phi tuyến, được sử dụng trong một số phép thay thế byte và trong quy trình mở rộng khóa, nhằm thực hiện một phép thay thế 1-1 đối với giá trị mỗi byte) trên mỗi byte trạng thái một cách độc lập.

ShiftRows()

Phép biến đổi dùng trong phép mã hóa áp dụng lên trạng thái bằng cách chuyển dịch vòng ba hàng cuối của trạng thái theo số lượng byte các offset khác nhau.

MixColumns()

Phép biến đổi trong phép mã hóa thực hiện bằng cách lấy tất cả các cột trạng thái trộn với dữ liệu của chúng (một cách độc lập nhau) để tạo ra các cột mới.

AddRoundKey()

Phép biến đổi trong phép mã hóa và phép giải mã. Trong đó, một khóa vòng (các giá trị sinh ra từ khóa mã bằng quy trình mở rộng khóa) được cộng thêm vào trạng thái bằng phép toán XOR (phép toán hoặc và loại trừ). Độ dài của khóa vòng bằng độ dài của trạng thái.

Mở rộng khóa

Thuật toán AES nhận vào một khóa mã K và thực hiện phép mở rộng khóa để tạo ra một lược đồ khóa. Phép mở rộng khóa tạo ra tổng số Nb(Nr+1) từ. Thuật toán yêu cầu một tập khởi tạo gồm Nb từ và mỗi trong số Nr vòng đòi hỏi Nb từ làm dữ liệu khóa đầu vào. Lược đồ khóa kết quả là một mảng tuyến tính các từ 4 byte.

Phép giải mã

Các phép biến đổi trong phép mã hóa có thể được đảo ngược và sau đó thực hiện theo chiều ngược lại nhằm tạo ra phép giải mã trực tiếp của thuật toán AES. Các phép biến đổi sử dụng trong phép giải mã gồm: InvShiftRows(), InvSubBytes(), InvMixColumns() và AddRoundKey().

InvSubBytes()

Phép biến đổi InvSubBytes() là nghịch đảo của phép thay thế theo byte SubBytes(), trong đó sử dụng một hộp-S nghịch đảo áp dụng cho mỗi byte của trạng thái.

InvShiftRows()

Phép biến đổi InvShiftRows() là phép biến đổi ngược của ShiftRows(). Các byte trong ba từ cuối của trạng thái được dịch vòng theo số byte khác nhau. Ở hàng đầu tiên (r=0) không thực hiện phép chuyển dịch, ba hàng dưới cùng được dịch vòng Nb-shift(r,Nb) byte.

InvMixColumns()

Phép biến đổi InvMixColumns() là phép biến đổi ngược của MixColumns(). Nó thao tác theo từng cột của trạng thái, xem mỗi cột như một đa thức bốn hạng tử.

Biến đổi nghịch AddRoundKey()

Phép biến đổi AddRoundKey() là phép biến đổi thuận nghịch vì nó chỉ áp dụng một phép toán XOR nên nó được thực hiện như nhau ở cả phép mã hóa và phép giải mã.

Ngoài các phép giải mã trên, thuật toán AES còn cho phép thực hiện một phép giải mã tương đương có cùng thứ tự các phép biến đổi như trong phép mã hóa (các biến đổi được thay bằng các phép biến đổi ngược). Có thể thực hiện được điều này là nhờ một thay đổi trong lược đồ khóa. Hai tính chất tạo nên một phép giải mã tương đương là: Tính giao hoán giữa hai phép biến đổi SubBytes() và ShiftRows() (tính chất này cũng đúng với phép nghịch đảo InvSubBytes() và InvShiftRows()), Các phép toán trộn cột MixColumns() và InvMixColumns() là tuyến tính đối với đầu vào cột. Các tính chất này cho phép đảo ngược thứ tự của các phép biến đổi InvSubBytes() và InvShiftRows(). Thứ tự của các phép biến đổi AddRoundKey() và InvMixColumns() cũng có thể đảo ngược với điều kiện đảm bảo rằng các cột của lược đồ khóa giải mã được chỉnh sửa bằng cách sử dụng phép biến đổi InvMixColumns().

Vấn đề thực hiện khóa

Yêu cầu về độ dài khóa

Việc thực hiện khóa của thuật toán AES sẽ hỗ trợ ít nhất một trong ba độ dài khóa là 128 bít, 192 bít và 256 bít. Việc thực hiện khóa có thể tùy chọn hỗ trợ hai hoặc ba độ dài khóa, nhằm tăng thêm tính tương tác cho các thực hiện thuật toán.

Tham số hóa độ dài khóa, kích thước khối và số vòng

AES quy định cụ thể các giá trị được phép dùng cho chiều dài khóa, kích thước khối và số vòng. Tuy nhiên, các giá trị này có thể thay đổi trong tương lai. Do đó, những nhà triển khai thuật toán AES có thể lựa chọn thiết kế linh hoạt với mong muốn của họ.

Ứng dụng

Thuật toán AES cho phép thực hiện hiệu quả bằng cả phần mềm và phần cứng. Thông thường với những ứng dụng không yêu cầu cao về hiệu năng và tốc độ thì AES được thực hiện ở dạng phần mềm. Với việc thực hiện trên phần mềm, thuật toán AES có thể được viết bằng nhiều ngôn ngữ lập trình như Assembler, C/C++, Visual Basic, Java, C#... và có thể vận hành trên nhiều hệ điều hành như Windows, Linux/Unix, Solaris.... Khi thực hiện trên phần cứng, thuật toán AES hỗ trợ thực hiện hai dòng: dòng thiết bị thứ nhất dựa vào một hệ vi xử lý phụ kết hợp với hệ vi xử lý chính của máy tính, dòng thiết bị thứ hai thường được thiết kế ở dạng thẻ thông minh (smart card) hoặc các thiết bị cắm qua cổng USB (Universal Serial Bus). Trong Thông tư số 01/2011/TT-BTTTT ngày 04/01/2011 của Bộ Thông tin và Truyền thông Công bố Danh mục tiêu chuẩn kỹ thuật về ứng dụng công nghệ thông tin trong cơ quan nhà nước quy định Khuyến nghị áp dụng tiêu chuẩn AESvà được xếp vào nhóm Tiêu chuẩn về an toàn thông tin.

Đặng Thị Thu Hương, Cục Tin học hóa

Dịch vụ sao lưu dữ liệu trực tuyến Cloud Backup của Viettel IDC mã hóa dữ liệu bằng các chuẩn mã hóa như (AES 256, DES 64, RC2 128, 3DES 168) đảm bảo an toàn bảo mật thông tin. 

Tìm hiểu thêm về dịch vụ sao lưu dữ liệu Cloud Backup TẠI ĐÂY

Hoặc gọi: 1800 8088 để được tư vấn.