ou AES ( « norme de chiffrement avancé »), aussi connu sous le nom de Rijndael, est un algorithme de chiffrement symétrique. Il remporta en octobre 2000 le concours AES, lancé en 1997 par le NIST et devint le nouveau standard de chiffrement pour les organisations du gouvernement des États-Unis. Il a été approuvé par la NSA (National Security Agency) dans .
Le système cryptographique AES est très fréquemment associé à la sécurisation de l'affichage des pages web ou des échanges de mails à travers l'usage de TLS. Son utilisation est extrêmement répandue.
Origine
Il est issu d'un appel international à candidatures lancé en janvier 1997 et ayant reçu 15 propositions. Parmi ces 15 algorithmes, 5 furent choisis pour une évaluation plus poussée en avril 1999 : MARS, RC6, Rijndael, Serpent, et Twofish. A l'issue du processus de sélection, ce fut le candidat Rijndael - du nom de ses deux concepteurs Joan Daemen et Vincent Rijmen (tous les deux de nationalité belge) - qui a été choisi. Ces deux experts en cryptographie étaient déjà les auteurs d'un autre algorithme : Square. AES est un sous-ensemble de Rijndael : il ne travaille qu'avec des blocs de 128 bits alors que Rijndael offre des tailles de blocs et de clefs qui sont des multiples de 32 (compris entre 128 et 256 bits).
Ce faisant, l'AES remplace le DES (choisi comme standard dans les années 1970) devenu obsolète car il utilise une clef de 56 bits ; ce qui n'est plus assez robuste. L'AES a été adopté par le NIST (National Institute of Standards and Technology) en 2001. Conformément aux prérequis du concours, son utilisation ne nécessite que peu de mémoire sa complexité est réduite, il existe des implémentations efficaces tant logicielle que matérielle. Contrairement à son prédécesseur, le DES, et à certains de ses coucurrents pour le concours du NIST, l'AES est un réseau de substitution-permutation simple, qui n'utilise pas de schéma de Feistel.
Fonctionnement L'algorithme prend en entrée un bloc de 128 bits (16 octets), la clé fait 128, 192 ou 256 bits. Les en entrée sont permutés selon une table définie au préalable. Ces octets sont ensuite placés dans une matrice de 4x4 éléments et ses lignes subissent une rotation vers la droite. L'incrément pour la rotation varie selon le numéro de la ligne. Une transformation linéaire est ensuite appliquée sur la matrice, elle consiste en la multiplication binaire de chaque élément de la matrice avec des polynômes issus d'une matrice auxiliaire, cette multiplication est soumise à des règles spéciales selon GF(2) (groupe de Galois ou corps fini). La transformation linéaire garantit une meilleure diffusion (propagation des bits dans la structure) sur plusieurs tours.
Finalement, un OU exclusif (XOR) entre la matrice et une autre matrice permet d'obtenir une matrice intermédiaire. Ces différentes opérations sont répétées plusieurs fois et définissent un « tour ». Pour une clé de 128, 192 ou 256, AES nécessite respectivement 10, 12 ou 14 tours. Différence entre Rijndael et AES La seule différence entre AES et Rijndael est l'ensemble des longueurs de bloc et la taille de clé. Rijndael est un bloc de chiffrement avec une longueur de bloc et une longueur de la clé variables. La longueur du bloc et la longueur de la clé peuvent être spécifiées indépendamment comme tout multiple de 32 bits, avec un minimum de 128 bits et un maximum de 256 bits. Il serait possible de définir des versions de Rijndael avec la longueur du bloc ou la longueur de la clé, mais il ne semble pas que cela soit nécessaire actuellement.
L'AES fixe la longueur de bloc à 128 bits et prend en charge les longueurs de clé de 128, 192 ou 256 bits seulement. Les longueurs de bloc et de clé supplémentaires dans Rijndael ne sont pas évaluées dans le cadre du processus de sélection de l'AES, et par conséquent ils ne sont pas adoptés dans la norme FIPS actuelle.
Algorithme Algorithme haut niveau pour le chiffrement avec Rijndael:procedure Rijndael(State,Cipherkey) KeyExpansion(CipherKey,ExpandedKey) AddRoundKey(State,ExpandedKey) for i = 1 to Nr − 1 do Round(State,ExpandedKey[i]) end for FinalRound(State,ExpandedKey[Nr]) end procedureLes tours de transformation de Rijndael:procedure Round(State,ExpandedKey[i]) SubBytes(State); ShiftRows(State); MixColumns(State); AddRoundKey(State,ExpandedKey[i]); end procedure procedure FinalRound(State,ExpandedKey[Nr]) SubBytes(State); ShiftRows(State); AddRoundKey(State,ExpandedKey[Nr]); end procedure
Chiffrement L'AES est un algorithme de chiffrement symétrique, et c'est un chiffrement par blocs. Il chiffre un message de 128 bits pour produire un chiffré de 128 bits également. La clé utilisée peut varier en taille : elle peut être de 128 bits, 192 bits ou 256 bits. La représentation du message bloqué se fait sous la forme d'un tableau 4x4, soit 16 cases, chacune représentant un octet, pour un total de 128 bits. Le chiffrement AES est constitué de plusieurs tours. Ce nombre de tours varie selon la taille de la clé initiale : pour une clé de 128 bits, le nombre de tours est de 10 ; pour une clé de 192 bits, il est de 12 tours ; et pour une clé de 256 bits, il est de 14 tours.
Pour chaque tour, une clé sera générée à partir de la clé initiale en utilisant un algorithme d'expansion de clé. Ces clés sont appelées round keys, et chacune est de taille 128 bits, quelle que soit la taille de la clé initiale.
Chaque tour est divisé en 4 étapes : substitution des octets, shift rows, mix columns et add round key, sauf pour le dernier tour, qui n'inclut pas l'étape mix columns.
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Substitution des octets Chaque octet dans le message représenté par un bloc 4x4 sera remplacé par un autre octet en utilisant une table de substitution 16x16 (boite S)
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Shift rows Pour la première ligne, il n'y a pas de changements. Pour la deuxième ligne, les éléments sont décalés chacun d'un pas vers la gauche, pour la troisième ligne, de 2 pas vers la gauche, et pour la quatrième ligne, de 3 pas vers la gauche. 400px|gauche
Mix columns Chaque colonne sera multipliée par la matrice 4x4 fixe suivante : 100px|gauche
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Add round key Le message en bloc sera XORé avec la round key.
La round key est formée de 4 mots, et chaque mot sera XORé avec une colonne du message.
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Algorithme d'expansion des clés Division de la clé initiale
La clé initiale (128, 192 ou 256 bits) est divisée en mots, chacun contenant 4 octets :
AES-128 : 16 octets (4 mots).
AES-192 : 24 octets (6 mots).
AES-256 : 32 octets (8 mots).
Exemple avec une clé AES-128 (128 bits) : 2b7e151628aed2a6abf7158809cf4f3c
W0 =2b7e1516
W1 =28aed2a6
W2 =abf71588
W3 =09cf4f3c
Nombre de mots pour la clé étendue
Le nombre de mots nécessaires pour la clé étendue est donné par :
Nb de mots = 4 × (Nb de tours + 1) Le facteur 4 correspond au nombre de mots de 4 octets d'un bloc (128 bits).
AES ne traite que des blocs de 128 bits, donc il y a 4 mots par bloc.
Ainsi :
Pour AES-128, on a besoin de 44 mots.
Pour AES-192, on a besoin de 52 mots.
Pour AES-256, on a besoin de 60 mots.
Calcul des mots pour les clés de ronde
La clé de ronde suivante est composée des mots
W4 ,W5 ,W6 ,W7 .
W4=W0⊕core(W3)
W5=W4⊕W1
W6=W5⊕W2
W7=W6⊕W3
Note : La fonction core applique des transformations spécifiques (substitution et rotation) à un mot.
On répète ce processus jusqu'à obtenir tous les mots nécessaires pour générer les clés de toutes les rondes.
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Déchiffrement Dans le déchiffrement, on applique le même mécanisme que lors du chiffrement, mais dans l'ordre inverse. Cela signifie : AddRoundKey en premier.
Pour chaque tour : Inverse ShiftRows (décalage inverse des lignes). Inverse SubBytes (substitution inverse des octets). AddRoundKey. Inverse MixColumns (sauf lors du dernier tour).
Lors du dernier tour, l'étape Inverse MixColumns est omise, et le déchiffrement se termine avec AddRoundKey.
Attaques sur le système cryptographique AES L'AES n'a pour l'instant pas été cassé, même théoriquement, au sens où il n'existe pas d'attaque significativement plus efficace que la recherche exhaustive quand le chiffrement est correctement utilisé. Le système AES est largement considéré comme l'un des algorithmes de chiffrement les plus sécurisés disponibles. Cependant, comme tout système cryptographique, il est constamment soumis à des analyses et des attaques pour tester sa robustesse.
Il est important de noter que, malgré ces attaques, l'AES reste un algorithme très robuste. Il est largement utilisé dans de nombreuses applications sécurisées. Les attaques mentionnées sont souvent théoriques ou nécessitent des conditions très spécifiques pour être réalisées avec succès.
Rijndael a été conçu de façon à résister aux méthodes classiques en particulier la cryptanalyse linéaire et la cryptanalyse différentielle. Le nombre de tours de l'AES est calculé en fonction de la taille de la clef pour que chacune de ces deux attaques (linéaire et différentielle) ne soit pas plus efficace qu'une attaque par force brute.
Attaques sur des versions simplifiées Des attaques existent sur des versions simplifiées d'AES. Niels Ferguson et son équipe ont proposé en 2000 une attaque sur une version à 7 tours de l'AES 128 bits. Une attaque similaire casse un AES de 192 ou 256 bits contenant 8 tours. Un AES de 256 bits peut être cassé s'il est réduit à 9 tours avec une contrainte supplémentaire. En effet, cette dernière attaque repose sur le principe des « related-keys » (clés apparentées). Dans une telle attaque, la clé demeure secrète mais l'attaquant peut spécifier des transformations sur la clé et chiffrer des textes à sa guise. Il peut donc légèrement modifier la clé et regarder comment la sortie de l'AES se comporte.
Attaques sur la version complète
Attaques par force brute La simplicité algébrique de l'AES a été mise en avant, par exemple en 2001 par Niels Ferguson, comme une potentielle faiblesse. Elle n'a cependant pu être exploitée jusqu'à présent. En 2002 Nicolas Courtois et Josef Pieprzyk avaient présenté une attaque algébrique théorique : l'attaque XSL, dont ils estimaient qu'elle était plus efficace que l'attaque par force brute, mais cela a été infirmé par des travaux ultérieurs.
En 2011, des chercheurs de Microsoft publient une attaque sur la version complète d'AES. Cette attaque permet de trouver la clef d'AES-128 en opérations (contre pour une attaque par force brute, soit presque 4 fois plus rapide que cette dernière). La même attaque s'applique à une version simplifiée (à 8 tours) d'AES-128, réduisant la complexité de l'attaque à . Cette attaque, fondée sur une amélioration de l'attaque par rencontre au milieu, reste impraticable.
Attaques par canal auxiliaire Les attaques par canal auxiliaire exploitent des informations supplémentaires obtenues à partir de l'implémentation physique de l'algorithme, comme la consommation d'énergie, le temps de calcul, ou les émissions électromagnétiques. Les attaques par analyse de la consommation d'énergie et les attaques par analyse des émissions électromagnétiques sont des exemples courant :
Differential Power Analysis (DPA) : introduite par Paul Kocher, Joshua Jaffe, et Benjamin Jun en 1999. Cette méthode a été largement étudiée et améliorée depuisBossuet, Lilian. « Approche didactique pour l’enseignement de l’attaque DPA ciblant l’algorithme de chiffrement AES ». Journal sur l’enseignement des sciences et technologies de l’information et des systèmes 11 (2012): 4-. Web.; Electromagnetic Analysis (EMA) : les attaques par analyse des émissions électromagnétiques ont également été explorées dans les années 2000 et continuent d'être un sujet de recherche actif.