الگوریتم AES یا استاندارد رمزنگاری پیشرفته (Advanced Encryption Standard) یکی از پرکاربردترین و امن‌ترین روش‌های رمزنگاری در دنیای دیجیتال امروز است. این الگوریتم توسط دولت آمریکا برای جایگزینی با الگوریتم قدیمی‌تر DES انتخاب شد و اکنون در بسیاری از سیستم‌ها، نرم‌افزارها و پروتکل‌های امنیتی مانند VPN، پیام‌رسان‌ها و بانکداری آنلاین استفاده می‌شود.

AES چیست؟

الگوریتم AES یا Advanced Encryption Standard یک روش رمزنگاری متقارن است که برای محافظت از داده‌ها به‌کار می‌رود. در رمزنگاری متقارن، همان کلیدی که برای رمزگذاری استفاده می‌شود برای رمزگشایی نیز به کار می‌رود. AES در سال ۲۰۰۱ توسط مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) به‌عنوان جایگزین الگوریتم DES انتخاب شد و از آن زمان به استاندارد جهانی برای رمزنگاری داده‌ها تبدیل شده است.

این الگوریتم با استفاده از بلاک‌های ۱۲۸ بیتی و کلیدهایی با طول ۱۲۸، ۱۹۲ یا ۲۵۶ بیت عمل می‌کند و فرآیند رمزگذاری را در چندین دور انجام می‌دهد. سرعت بالا، امنیت قوی و پیاده‌سازی آسان در سخت‌افزار و نرم‌افزار از جمله ویژگی‌هایی هستند که AES را به یکی از پرکاربردترین الگوریتم‌های رمزنگاری در جهان تبدیل کرده‌اند.

تاریخچه AES

در دهه ۱۹۹۰ الگوریتم DES که سال‌ها به‌عنوان استاندارد رمزنگاری دولت آمریکا استفاده می‌شد، دیگر از نظر امنیتی قابل اتکا نبود. افزایش قدرت پردازش کامپیوترها باعث شد رمزهای DES که فقط ۵۶ بیت طول داشتند، به‌راحتی در زمان کوتاهی شکسته شوند. در پی این نگرانی، مؤسسه NIST در سال ۱۹۹۷ رقابتی جهانی برای طراحی یک الگوریتم رمزنگاری جدید و قدرتمند راه‌اندازی کرد تا جایگزین DES شود.

پس از چند سال بررسی و ارزیابی تخصصی در سال ۲۰۰۰ الگوریتم Rijndael طراحی‌شده توسط دو رمزنگار بلژیکی به نام‌های Vincent Rijmen و Joan Daemen به‌عنوان برنده نهایی انتخاب شد. این الگوریتم به دلیل امنیت بالا، سرعت قابل قبول و انعطاف‌پذیری در پیاده‌سازی، توسط NIST در سال ۲۰۰۱ به‌عنوان استاندارد رسمی رمزنگاری با نام AES معرفی شد و از آن زمان تاکنون در سطح جهانی پذیرفته شده است.

AES چرا جایگزین DES شد؟

الگوریتم DES تنها از یک کلید ۵۶ بیتی استفاده می‌کرد که در برابر حملات brute-force به‌راحتی آسیب‌پذیر شده بود. با رشد سریع توان پردازشی رایانه‌ها، رمز DES در عرض چند ساعت قابل شکستن بود. در مقابل AES با استفاده از کلیدهای ۱۲۸، ۱۹۲ یا ۲۵۶ بیتی، سطح امنیت بسیار بالاتری را فراهم کرد و توانست نیازهای امنیتی جدید را پاسخ دهد به همین دلیل به‌سرعت جایگزین DES شد.

AES چگونه کار می‌کند؟

الگوریتم AES یک رمزنگاری بلوک‌محور (block cipher) است که داده‌ها را در بلوک‌های ۱۲۸ بیتی پردازش می‌کند. عملیات رمزگذاری در چندین مرحله و دور انجام می‌شود که تعداد این دورها به طول کلید بستگی دارد (۱۰ دور برای کلید ۱۲۸ بیتی، ۱۲ دور برای ۱۹۲ بیتی و ۱۴ دور برای ۲۵۶ بیتی). مراحل اصلی الگوریتم به شکل زیر هستند:

1. افزودن کلید اولیه (AddRoundKey):

در آغاز داده‌ی اصلی با یک کلید رمزنگاری اولیه ترکیب می‌شود. این مرحله پایه‌ی رمزگذاری را می‌سازد و باعث پنهان‌سازی اولیه اطلاعات می‌شود.

2. جایگزینی بایت‌ها (SubBytes):

در این مرحله هر بایت از داده‌ها با استفاده از یک جدول جایگزینی (S-box) با مقدار جدیدی جایگزین می‌شود. این مرحله باعث افزایش پیچیدگی رمز می‌شود.

3. جابجایی ردیف‌ها (ShiftRows):

ردیف‌های جدول داده به شکل چرخشی جابه‌جا می‌شوند تا آرایش داده‌ها تغییر یابد. این مرحله باعث پخش شدن اطلاعات در سطرهای مختلف می‌شود.

4. ترکیب ستون‌ها (MixColumns):

هر ستون از داده‌ها با استفاده از عملیات ریاضی خاصی ترکیب می‌شود تا وابستگی بین بیت‌ها بیشتر شود. این مرحله امنیت رمز را بالاتر می‌برد.

5. افزودن کلید جدید (AddRoundKey):

در انتهای هر دور یک کلید جدید که از کلید اصلی مشتق شده، با داده‌ها ترکیب می‌شود. این مرحله در هر دور تکرار می‌شود و باعث تقویت رمزنگاری می‌گردد.

6. دور نهایی (Final Round):

در آخرین دور مرحله‌ی MixColumns حذف می‌شود و فقط SubBytes، ShiftRows و AddRoundKey انجام می‌گیرند. نتیجه نهایی، متن رمز شده‌ای است که فقط با کلید درست قابل بازگشایی است.

انواع کلیدها در AES

• کلید ۱۲۸ بیتی

رایج‌ترین و سریع‌ترین نوع کلید در AES است که از ۱۰ دور رمزنگاری استفاده می‌کند. این گزینه در بسیاری از سیستم‌های عملیاتی به دلیل تعادل مناسب بین امنیت و کارایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با وجود طول کمتر نسبت به سایر گزینه‌ها، هنوز هم امنیت بسیار بالایی دارد و برای بسیاری از کاربردهای روزمره کافی است.

• کلید ۱۹۲ بیتی

این نوع کلید امنیت بیشتری نسبت به نسخه ۱۲۸ بیتی ارائه می‌دهد و شامل ۱۲ دور پردازش است. اگرچه کمتر از نوع ۱۲۸ بیتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما در محیط‌هایی که داده‌ها از حساسیت بالاتری برخوردارند، گزینه مناسبی به شمار می‌رود. عملکرد آن کمی کندتر است ولی سطح امنیت بالاتری فراهم می‌کند.

• کلید ۲۵۶ بیتی

قوی‌ترین گزینه در AES است که شامل ۱۴ دور رمزنگاری می‌باشد. این نوع کلید برای کاربردهای فوق‌امن مانند ارتباطات نظامی، مالی و داده‌های فوق‌حساس استفاده می‌شود. هرچند زمان پردازش بیشتری نیاز دارد، اما در برابر حملات احتمالی، حتی با در نظر گرفتن پیشرفت فناوری مقاوم‌تر عمل می‌کند.

کاربردهای AES در دنیای واقعی

• ارتباطات امن در شبکه‌های وای‌فای
• رمزنگاری داده‌ها در دیسک‌های سخت و حافظه‌ها (BitLocker، FileVault)
• امنیت بانکداری آنلاین و پرداخت‌های الکترونیکی
• پروتکل‌های SSL/TLS برای ارتباط امن وب
• رمزنگاری فایل‌ها و پوشه‌ها در نرم‌افزارهای فشرده‌سازی
• سیستم‌های ابری برای رمزنگاری داده‌های ذخیره‌شده

مزایا و معایب الگوریتم AES