AES Encryptie Uitgelegd: Hoe Het Werkt, Prestaties en Beveiliging

De Advanced Encryption Standard (AES) is momenteel de populairste en wijdst aangenomen symmetrische encryptie-algoritme.

Het werd ontwikkeld door twee Belgische cryptografen, Vincent Rijmen en Joan Daemen.

Als correct geïmplementeerd, is het algoritme op dit moment onbreekbaar.

Wat Is Encryptie?

Encryptie is de meest voorkomende manier om gevoelige data te beschermen. Het werkt door data om te zetten in een vorm waarin de oorspronkelijke betekenis vermomd is en alleen geautoriseerde gebruikers het kunnen ontcijferen.

Dit gebeurt door de data te schudden met wiskundige functies gebaseerd op een getal genaamd een sleutel. Om te ontsleutelen (decrypt), wordt het proces omgekeerd met dezelfde of een andere sleutel.

Het proces heet symmetrisch als dezelfde sleutel voor zowel encryptie als decryptie gebruikt wordt. Het is asymmetrisch als verschillende sleutels gebruikt worden.

De Advanced Encryption Standard (AES) is momenteel de populairste en wijdst aangenomen symmetrische encryptie-algoritme. Het werd vastgesteld door het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) in 2001.

In 2002 werd AES effectief als federale overheidsstandaard. Tot nu toe is het de enige publiek toegankelijke cipher goedgekeurd door de NSA (National Security Agency) voor topgeheime projecten.

Wie Heeft AES Ontwikkeld En Waarom?

In de midden jaren 90 plande de Amerikaanse overheid een project om verschillende encryptietechniquen te analyseren. Eigenlijk zochten ze een standaard die veilig en efficiënt te implementeren was.

NIST analyseerde honderden algoritmes ingediend door verschillende onderzoeks teams en organisaties. Uiteindelijk maakten ze hun selectie eind 2001. Ze kozen "Rijndael" als het nieuwe Advanced Encryption Standard algoritme.

Dit werd ingediend door twee Belgische cryptografen, Vincent Rijmen en Joan Daemen.

Rijndael werd rigoros getest in ANSI, Java en C talen voor efficiëntie en betrouwbaarheid in het encryptie/decryptie proces. Ze zorgden ervoor dat het nieuwe algoritme weerstand biedt tegen grote aanvallen in zowel software- als hardware-gerichte systemen.

Waarom Zochten Ze Een Nieuwe Encryptiemethode?

In 1976 adopteerde het Amerikaanse National Bureau of Standards (NBS) de Data Encryption Standard (DES) om gevoelige overheidsdata te versleutelen. Het was een symmetrisch sleutelalgoritme gebouwd door IBM.

Het algoritme diende zijn doel redelijk goed voor 20 jaar, maar met de komst van krachtigere processoren, begonnen een paar beveiligingskwesties op te duiken.

Feitelijk waren sommige onderzoekers in staat om technieken te ontwikkelen die DES binnen 48 uur konden kraken, met de brute force methode. Hoewel dergelijke aanvallen erg duur en extreem moeilijk uit te voeren waren, waren ze genoeg om te bewijzen dat DES binnenkort onbetrouwbaar zou worden.

Als resultaat kondigde NIST de noodzaak aan voor een opvolger-algoritme voor DES en startte de ontwikkeling van AES in 1997, bedoeld om wereldwijd royalty-vrij beschikbaar te zijn.

Hoe Werkt AES Encryptie?

In tegenstelling tot DES (dat een relatief korte 56-bit sleutelgrootte gebruikt), gebruikt AES sleutelgroottes van 128, 192 of 256-bit om data te encrypteren/decrypten.

AES is een iteratieve cipher gebaseerd op een substitutie-permutatie netwerk. Het omvat een reeks gelinkte operaties, zoals het vervangen van invoer door bepaalde uitgangen (substitutie) of het schudden van bits (permutatie).

Het eerste wat het algoritme doet is de plaintext (invoergegevens) opsplitsen in blokken van 128-bits. Aangezien alle berekeningen op bytes uitgevoerd worden (128 bits = 16 bytes), converteert het elke blokgrootte naar een 4x4 matrix voor verdere verwerking.

Er zijn vijf hoofdstappen in het AES-algoritme:

1. Add Round Key: De initiële sleutel (afgeleid van een gestructureerd proces wanneer encryptie daadwerkelijk toegepast wordt) wordt aan het blok van de plaintext toegevoegd. Dit gebeurt door een additief encryptie-algoritme genaamd Exclusive Or (XOR) toe te passen.
2. Substitute Bytes: De invoer-bytes worden vervangen door op te zoeken in een vooraf bepaalde tabel.
3. Shift Rows: De 2e rij van de matrix wordt één positie (byte) naar links verschoven, 3e rij twee posities naar links, en 4e rij drie posities naar links. De resulterende matrix bevat dezelfde 16 bytes maar verschoven ten opzichte van elkaar.
4. Mix Columns: Het algoritme gebruikt een speciale wiskundige functie om elke kolom van de matrix te transformeren. De functie vervangt de oorspronkelijke kolomen door volledig nieuwe bytes.
5. Add Round Key: De matrix wordt nu beschouwd als 128 bits en XORed met de 128-bit round key.

Als je dacht dat dit het was, kun je niet meer mis. De data gaat terug naar stap 2, 3, 4 en 5. Met andere woorden, stap 2 tot 5 wordt in een lus uitgevoerd.

Maar hoe vaak draait de lus? Dit hangt af van de AES-cipher sleutelgrootte: bij een 128-bit sleutel draait de lus 9 keer; bij een 192-bit sleutel 11 keer; en bij een 256-bit sleutel 13 keer.

Elke toegevoegde ronde maakt het algoritme sterker. Na het einde van de lus wordt nog één extra ronde uitgevoerd, wat byte-substitutie, rijverschuiving en sleuteltoevoegingsrondes omvat.

De kolom-mixing stap wordt uitgesloten omdat, op dit moment, het de data niet zou veranderen en onnodig rekenbronnen zou consumeren, wat encryptie minder efficiënt maakt.

Stappen betrokken bij AES encryptie en decryptie

Decryptie van Data

Het decryptieproces is relatief simpel. Alle operaties worden in omgekeerde volgorde uitgevoerd. Het proces begint met de inverse add round key, inverse rijverschuiving en inverse byte-substitutie.

En dan voor elke ronde worden vier processen in omgekeerde volgorde uitgevoerd:

• Inverse round key
• Inverse mix column
• Inverse shift rows
• Inverse byte substitution

Ten slotte wordt de inverse add round key (stap 1 van encryptie) uitgevoerd. Na voltooiing van dit proces krijg je je oorspronkelijke bericht terug.

Prestaties

Aangezien AES aanzienlijk sneller en exponentieel sterker is dan zijn voorganger DES, is het ideaal voor diverse toepassingen, hardware en firmware die hoge doorvoer of lage latentie vereisen.

Het algoritme presteert uitzonderlijk goed op een breed bereik aan hardware, van high-performance computers tot 8-bit slimme kaarten.

De meeste CPU-fabrikanten, waaronder AMD en Intel, integreren de AES-instructieset in hun processoren. Dit verbetert de prestaties van AES op veel apparaten en verbetert hun weerstand tegen side-channel aanvallen.

Op AMD Ryzen en Intel Core i7/i5/i3 CPU's kan AES-encryptie een doorvoer van meer dan 10 GB/s opleveren. Op oude processoren zoals Pentium M is de doorvoer ongeveer 60 Mbit/s.

Hoe Veilig Is Het AES-algoritme?

Cryptografen analyseren AES op zwaktes sinds de standaard in 2000 werd gefinaliseerd. Tot nu toe hebben ze theoretische en side-channel aanvallen gepubliceerd tegen AES-128.

In 2009 richtte een groep onderzoekers zich op een 8-key ronde versie van AES-128. Het was een known-key aanval om de interne structuur van de encryptie te ontrafelen. Maar aangezien het alleen gericht was op een 8-ronde versie van AES-128, in plaats van de standaard 10-ronde versie, wordt het beschouwd als een relatief kleine dreiging.

Er was ook een reeks related-key aanvallen in hetzelfde jaar, waarbij onderzoekers probeerden een cipher te kraken door te analyseren hoe het functioneert onder verschillende sleutels. Echter, deze aanvallen bleken slechts een dreiging voor protocollen die niet correct geïmplementeerd waren.

Grootste Risico: Side-channel Aanvallen

Side-channel aanvallen zijn gebaseerd op data verkregen uit de implementatie van een systeem, niet op zwaktes in het geïmplementeerde algoritme zelf. Bijvoorbeeld: stroomverbruik, timing-informatie, of zelfs elektromagnetische lekkages kunnen een extra bron van data bieden, die uitgebuit kan worden.

In één geval slaagden onderzoekers erin om AES-128 sleutels af te leiden door de toestand van de processorgeheugencache nauwkeurig te monitoren. Echter, dergelijke gevallen kunnen verminderd worden door mogelijke manieren van datalekkage te voorkomen of ervoor te zorgen dat de gelekte informatie niet geassocieerd is met algorithmische processen.

Ondanks potentiële side-channel aanvallen en huidige theoretische aanvallen, blijven alle versies van AES hoogst veilig. Een correct geïmplementeerd AES-algoritme is op dit moment onbreekbaar.

Feitelijk zou de krachtigste computer ter wereld meer dan 800 biljoen jaar nodig hebben om een 128-bit AES-sleutel met brute force te kraken. Het aantal berekeningen dat nodig is om een 256-bit cipher te kraken is 3,31 x 10⁵⁶, wat ruwweg gelijk is aan het aantal atomen in het universum.

Toepassingen

AES zit in programma's die we constant gebruiken. Bijvoorbeeld WinZip, RAR en UltraISO gebruiken het Rijndael-algoritme om je data te versleutelen.

BitLocker, CipherShed, DiskCryptor, VeraCrypt en FileVault maken AES-geëncrypteerde drive-images. IEEE 802.11i, een IEEE-standaard die beveiligingsmechanismen voor draadloze netwerken specificert, gebruikt AES-128 in CCM-modus.

Enkele van de populairste messaging apps zoals Facebook Messenger, Signal, WhatsApp en Google Allo gebruiken AES om berichten tussen afzenders en ontvangers te versleutelen.