Что такое СКЗИ, и какие они бывают
СКЗИ (средство криптографической защиты информации) — это программа или устройство, которое шифрует документы и генерирует электронную подпись (ЭП). Все операции производятся с помощью ключа электронной подписи, который невозможно подобрать вручную, так как он представляет собой сложный набор символов. Тем самым обеспечивается надежная защита информации.
Как работает СКЗИ
Виды СКЗИ для электронной подписи
Есть два вида средств криптографической защиты информации: устанавливаемые отдельно и встроенные в носитель.
СКЗИ, устанавливаемое отдельно — это программа, которая устанавливается на любое компьютерное устройство. Такие СКЗИ используются повсеместно, но имеют один недостаток: жесткую привязку к одному рабочему месту. Вы сможете работать с любым количеством электронных подписей, но только на том компьютере или ноутбуке, на котором установлена СКЗИ. Чтобы работать на разных компьютерах, придется для каждого покупать дополнительную лицензию.
При работе с электронными подписями в качестве устанавливаемого СКЗИ чаще всего используется криптопровайдер КриптоПро CSP. Программа работает в Windows, Unix и других операционных системах, поддерживает отечественные стандарты безопасности ГОСТ Р 34.11-2012 и ГОСТ Р 34.10-2012.
Реже используются другие СКЗИ:
СКЗИ, встроенные в носитель, представляют собой «вшитые» в устройство средства шифрования, которые запрограммированы на самостоятельную работу. Они удобны своей самодостаточностью. Все необходимое для того, чтобы подписать договор или отчет, уже есть на самом носителе. Не надо покупать лицензии и устанавливать дополнительное ПО. Достаточно компьютера или ноутбука с выходом в интернет. Шифрование и расшифровка данных производятся внутри носителя. К носителям со встроенным СКЗИ относятся Рутокен ЭЦП, Рутокен ЭЦП 2.0 и JaCarta SE.
Средства криптографической защиты информации: виды и применение
Средства криптографической защиты информации, или сокращенно СКЗИ, используются для обеспечения всесторонней защиты данных, которые передаются по линиям связи. Для этого необходимо соблюсти авторизацию и защиту электронной подписи, аутентификацию сообщающихся сторон с использованием протоколов TLS и IPSec, а также защиту самого канала связи при необходимости.
В России использование криптографических средств защиты информации по большей части засекречено, поэтому общедоступной информации касательно этой темы мало.
Методы, применяемые в СКЗИ
Подробным образом методы описаны в следующих документах: RFC 4357, RFC 4490, RFC 4491.
Механизмы СКЗИ для информационной защиты
Как можно заметить, алгоритмы электронной подписи являются основополагающей частью средства криптографической защиты информации. Они будут рассмотрены ниже.
Требования при использовании СКЗИ
СКЗИ нацелено на защиту (проверкой электронной подписи) открытых данных в различных информационных системах общего использования и обеспечения их конфиденциальности (проверкой электронной подписи, имитозащитой, шифрованием, проверкой хеша) в корпоративных сетях.
Персональное средство криптографической защиты информации используется для охраны персональных данных пользователя. Однако следует особо выделить информацию, касающуюся государственной тайны. По закону СКЗИ не может быть использовано для работы с ней.
Важно: перед установкой СКЗИ первым делом следует проверить сам пакет обеспечения СКЗИ. Это первый шаг. Как правило, целостность пакета установки проверяется путем сравнения контрольных сумм, полученных от производителя.
После установки следует определиться с уровнем угрозы, исходя из чего можно определить необходимые для применения виды СКЗИ: программные, аппаратные и аппаратно-программные. Также следует учитывать, что при организации некоторых СКЗИ необходимо учитывать размещение системы.
Классы защиты
АУ (актуальные угрозы), как видно из таблицы, бывают 3 типов:
Для ясности рассмотрим модели нарушителей, для перехвата которых нужен тот или иной класс средств криптографической защиты информации:
Используемые алгоритмы
Рассмотрим основные алгоритмы, используемые в средствах криптографической защиты информации:
Электронная подпись
Применение средства криптографической защиты информации невозможно представить без использования алгоритмов электронной подписи, которые набирают все большую популярность.
Виды электронной подписи
По Федеральному закону № 63 электронная подпись делится на 3 вида:
Простая ЭП создается за счет паролей, наложенных на открытие и просмотр данных, или подобных средств, косвенно подтверждающих владельца.
Неквалифицированная ЭП создается с помощью криптографических преобразований данных при помощи закрытого ключа. Благодаря этому можно подтвердить лицо, подписавшее документ, и установить факт внесения в данные несанкционированных изменений.
Область использования электронной подписи
В таблице ниже рассмотрены сферы применения ЭП.
Активнее всего технологии ЭП применяются в обмене документами. Во внутреннем документообороте ЭП выступает в роли утверждения документов, то есть как личная подпись или печать. В случае внешнего документооборота наличие ЭП критично, так как является юридическим подтверждением. Стоит также отметить, что документы, подписанные ЭП, способны храниться бесконечно долго и не утрачивать своей юридической значимости из-за таких факторов, как стирающиеся подписи, испорченная бумага и т. д.
По закону Российской Федерации каждый гражданин вправе пользоваться ЭП при использовании госуслуг (например, подписание электронного заявления для органов власти).
Алгоритмы электронной подписи
Стоит также отметить, что алгоритмы создания ЭП имеют различные назначения и цели:
Защитить информацию и ничего не нарушить: какие вопросы мы задаем при работе с СКЗИ
Согласитесь, в теме криптографической защиты информации больше вопросов, чем ответов. Как учитывать СКЗИ, как их хранить и перевозить? А если защиту надо установить на мобильное приложение, а сколько человек должны подписывать акт, надо ли создавать у себя в компании ОКЗИ, а всегда ли можно это сделать? И главное, все ли множество лицензий вы получили или про что-то забыли.
В этом посте собраны самые больные частые вопросы, которыми задаемся мы в «Ростелеком-Солар» и которые задают наши коллеги по цеху. Мы постарались найти на них ответы. Надеемся, будет интересно и полезно.
Внимание, материал не является истиной в последней инстанции. Ответить точно на конкретный запрос может только регулятор.
Вопросы про лицензирование
Как найти грань между техническим обслуживанием СКЗИ и, например, выработкой ключевой информации?
— Все, что описано в эксплуатационной документации, в том числе и выработка ключевой информации, является техническим обслуживанием.
Можно ли отдать на аутсорсинг работы по обслуживанию СКЗИ в организации?
— Можно. Но у аутсорсинговой компании должны быть соответствующие пункты лицензии на «работы по обслуживанию шифровальных (криптографических) средств, предусмотренные технической и эксплуатационной документацией на эти средства (за исключением случая, если указанные работы проводятся для обеспечения собственных нужд юридического лица или индивидуального предпринимателя)». Этого требует постановление правительства N 313 от 16.04.2012.
Вопросы про журнал учета
Можно ли вести журнал учета СКЗИ/КД в электронном виде?
— Да. Некоторые организации уже так делают. При этом не стоит забывать про правила электронного документооборота, например, про использование квалифицированной электронной подписи.
Как организовать учет большого количества СКЗИ?
— Основной совет: каждое действие надо сопровождать актом и в журнале указывать его реквизиты. Не надо пытаться обеспечить всех участников доступом к журналу – территориально распределенные компании могут выдохнуть. Много и подробно о ведении учета журнала СКЗИ можете прочитать в этом посте.
Как вести поэкземплярный учет СКЗИ в мобильных и веб-приложениях?
— При скачивании учет СКЗИ обеспечивается тем, кто его распространяет, то есть разработчиком или вендором. Чтобы загрузить CSP, на сайте вендора нужно заполнить форму с ФИО и контактной информацией. Далее вы получаете ссылку на дистрибутив и серийник, а после регистрации – регистрационный номер СКЗИ. Все эти данные фиксируются у вендора, который распространяет СКЗИ, а у пользователя остается формуляр с серийным и регистрационным номерами. Подробнее этот процесс описан тут. Аналогичная схема действует и для корпоративного приложения или портала.
Могут ли всевозможные акты подписываться одним лицом – исполнителем, или обязательно комиссией, утвержденной приказом руководителя?
Если подходить более формально, то в ГОСТ Р 7.0.97-2016 есть пример:
Вопросы про ОКЗИ
Можно ли самостоятельно обучить пользователей СКЗИ и как это оформить?
Есть ли какие-либо требования к сотрудникам, которые входят в ОКЗИ?
— Есть. Они должны пройти внутреннее обучение с тестированием. Сделать это можно в лицензированном учебном центре. Также им нужно ознакомиться с инструкцией пользователя СКЗИ под подпись.
Ответственный за защиту информации и ответственный за СКЗИ – это одно и то же?
Другие вопросы
Если на компьютере установлено СКЗИ, является ли место, где он расположен спецпомещением? Как быть с сотрудниками, работающими удаленно с использованием СКЗИ (VPN)? Как опечатать помещение, где они работают?
— Строго говоря, по инструкции № 152 ФАПСИ, это спецпомещение. А, значит, к нему должны применяться меры, описанные в правилах пользования на конкретное СКЗИ. Причем требования должны выполняться как на территории организации, так и в отношении сотрудников, работающих удаленно.
В какой степени сейчас реализованы в СКЗИ квантовые технологии? Насколько они актуальны?
Может ли Спецсвязь перевозить СКЗИ?
— Приказ ФАПСИ № 152 гласит, что СКЗИ и ключевые документы могут доставляться «фельдъегерской (в том числе ведомственной) связью или со специально выделенными нарочными из числа сотрудников органа криптографической защиты или пользователей СКЗИ, для которых они предназначены, при соблюдении мер, исключающих бесконтрольный доступ к ним во время доставки».
Существует две ключевых организации, осуществляющие доставку СКЗИ:
Государственная фельдъегерская служба (ГФС)
Главный центр специальной связи (ФГУП ГЦСС)
ФГУП ГЦСС (Спецсвязь) – это организация подведомственная Минкомсвязи. Согласно постановлению правительства от 15 декабря 1994 года N 1379-68, ФГУП ГЦСС, в частности, осуществляет прием и доставку корреспонденции и грузов, содержащих сведения и материалы, относящиеся к государственной, служебной и иной охраняемой законом тайне. ФГУП ГЦСС уполномочено осуществлять перевозку СКЗИ, в том числе для юридических лиц. Подробнее о доставке СКЗИ рассуждаем вот здесь.
И напоследок – крик души. Нужен ли единый протокол и алгоритм шифрования?
— Алгоритмы шифрования зафиксированы в государственных стандартах (ГОСТ) и одинаковы у всех производителей (за исключением незначительных деталей).
А вот несовместимость сетевых протоколов различных производителей – это действительно боль. Но определенные шаги в сторону стандартизации уже сделаны. Например:
«С-Терра СиЭсПи», «Крипто Про», «Элвис-Плюс» используются IPsec в соответствии с RFC.
«Код Безопасности» планирует переход с проприетарного алгоритма на IPsec в своих следующих версиях.
«ИнфоТеКС» сделал описание собственного проприетарного протокола публичным в виде рекомендаций по стандартизации.
Для ГОСТ TLS и ЭП совместимость доступна уже сейчас. А работы по совместимости реализации различных производителей сейчас активно ведет технический комитет по стандартизации «Криптографическая защита информации» (ТК 26).
Ликбез по основам безопасности и криптографии
Криптография
Три кита криптографии — хеш, шифрование симметричное, шифрование асимметричное (с открытым ключом). Основываются криптографические алгоритмы на сложности вычисления больших чисел, но подробнее об этом, если вас конкретно интересует «начинка», стоит читать не в общих обзорах, именуемых ликбезом. Здесь же содержится простое изложение, без лишних заморочек, то есть поверхностное.
Хеш — функция, функция «в одну сторону», так как восстановить данные, из которых путем хеширования получен хеш (результат хеш-функции), невозможно. На вход подается информация, на выходе имеем её отпечаток, строку фиксированной длины. Подобрать входные данные, которые дадут такой же результат должно быть сложной задачей. Отсюда следствие — если у вас есть проверенный хеш образа диска, документа и т.п., то вы можете вычислить хеш полученного файла и сравнить — если совпадут, значит это то самое. Подобным же образом обходятся зачастую с паролями — если хеш полученного пароля совпадет с имеющимся (в /etc/shadow к примеру), то проверка пройдена успешно.
Шифрование симметричное — шифрование в котором используется, соответственно, симметричный ключ. Это говорит о том, что если вы что то архиважное зашифровали один ключом, то обратную операцию надо проделать им же. Также может использоваться при проверке знания секрета — шифруем некую информацию этим самым секретом, или его хешем, передаем результат второй стороне. Вторая сторона, которая как предполагается знает секрет, расшифровывает данные, их дополняет, шифрует, пересылает обратно. Первая сторона, получив ответ опять же его расшифровывает и смотрит правильно ли вторая сторона изменила данные. Понятно, что если вторая или первая сторона подсовывает неверный секрет, процесс сорвется. Это было весьма общее описание процессов происходящих в протоколе Kerberos.
Шифрование асимметричное — шифрование в котором используются, два ключа, которые обычно называют приватный (секретный) и публичный (известен всем). Зашифровав что либо одним из пары ключей, обратно расшифровать можно только вторым. Таким образом проверить ваше знания приватного ключа достаточно просто — шифруем некую информацию вашим публичным ключом и, если вы знаете приватный, вы легко её прочитаете. На шифровании с асимметричными ключами построено много систем, к примеру это PGP и PKI. Также каждый из вас пользовался этим видом криптографии когда обращался на адреса вида https: //.
Аутентификация и авторизация
Аутентификация это процесс установления личности. Когда вы вводите пароль на Хабр, вы аутентифицируетесь. Никаких прав вы при этом не получаете.
Авторизация это процесс, в котором проверяются права пользователя на выполнение каких либо действий в системе. Например по умолчанию вы имеете право писать в личный блог, но система не даст вам опубликовать хабратопик в коллективный блог, если у вас будет мало кармы. Здесь авторизация на совершение какого либо действия производится по количеству кармы, в файловых системах вам выдают право на совершение действий через ACL, членство в группе и так далее.
Еще раз — через процесс аутентификации получить право на выполнение чего либо нельзя, этим занимается процесс авторизации, а аутентификация только устанавливает личность.
Аутентификация, немного о криптографической стороне дела
Зачастую аутентификация основывается на проверке знания секрета. Самый простой способ это получить от вас пароль в чистом виде (!) и сравнить с хранящимся в базе. Тут есть вариант — проверять хеш пароля, что позволит не знать пароль серверу, а хранить его хеш. Но заметьте — пароль проходит в открытом виде по сети! Второе — вы не знаете кому отправили свой пароль, сервер может быть подставным. Обходной маневр — использовать только в связке с SSL/TLS, но в таком случае у сервера должен быть корректный, не просроченный сертификат, выданный доверенным центром, а не как обычно.
Второй вариант — сервер знает секрет, вы его знаете — используется метод, описанный в абзаце по симметричному шифрованию. Это лучше чем сравнение с запомненным хешем — пароль по сети не бегает вообще, сервер так же не получает ваш секрет — вы проводите с сервером взаимную аутентификацию. На этом методе вырос весьма серьезный протокол — Kerberos, с одним нюансом — пароли знают только выделенные сервера в сети. Kerberos используется в Microsoft Active Directory, в качестве примера привожу как самый известный продукт — все таки у нас ликбез.
Третий вариант, сложный, PKI. За рамки ликбеза его описание выходит, интересно — почитайте сами. По сути схож с Kerberos — есть центр, но основан на асимметричном шифровании.
Kerberos
Алгоритм описан с некоторыми отступлениями, для улучшения восприятия. Если вам потребуется точное описание работы, не для общего сведения, советую почитать более серьезную литературу
Каждый день, работники корпоративного сектора активнейшим образом используют квинтэссенцию криптографической мысли — протокол Kerberos, бороздя просторы корпоративной же сети построенной на базе решений от Microsoft, ведь все процессы идентификации пользователей и компьютеров сервисами (IMAP,SMTP, доступ к файлам) он берет на свои плечи.
Протокол Kerberos это протокол аутентификации использующий хеш-функции и симметричные шифры. Как ни удивительно, но Kerberos это не очередное порождения Microsoft в стремлении «чтобы свое, и чтобы ни с чем не совместимо, и чтобы они нам душу отдали за спецификации», создан протокол в стенах массачусетского технологического института — MIT, где активно используется все эти годы в кампусной сети ВУЗа.
Перечитайте описание симметричных шифров, в конце там есть пример. Так вот в чем недостаток решения, предложенного в том абзаце? А получается, что пароли надо размещать на каждом сервере сети, да еще каждой службе надо будет иметь к ним доступ, к незашифрованым паролям, да еще на каждый сервер эти пароли надо внести. Выглядит это несколько дыряво.
В протоколе Kerberos для хранения паролей выделен отдельный сервер — Key Distribution Center (сервер распределения ключей), ключи есть у каждого участника процесса — и у пользователей и у сервисов. Ключ получается из пароля путем хеширования, так как пользователь не сможет запомнить требуемое для алгоритма шифрования количество символов. Хеширование возвращает всегда строку фиксированной длины, что как раз подходит для алгоритмов шифрования с симметричным ключом.
Когда пользователю надо получить доступ к HTTP серверу (портал там лежит корпоративный, к примеру), он обращается к KDC (ну понятно, что обращается библиотека) с просьбой предоставить ключ для доступа к HTTP серверу. У KDC есть ключи пользователя и сервера
KDC генерирует случайный, симметричный ключ и делает достаточно сложную конструкцию, называемую билетом, которую лучше посмотреть на картинке:
Итак, имеем матрешку, но разбирается она достаточно просто. Пользователь, получив ответ, расшифровывает его свои ключом, получает сгенерированный ключ и шифрованный ключом сервера пакет. Так вот этот пакет пользователь отсылает уже HTTP серверу, который расшифровывает его и тоже получает тот же самый сгенерированный ключ.
Теперь у обоих есть общий ключ. И вот теперь можно аутентифицировать друг друга, способ уже описан — шифруем полученным от KDC, сгенерированным ключом имя пользователя, IP адрес, время и отсылаем серверу. Сервер расшифровывает, и получив ожидаемое имя пользователя признает в нем Пупкина. Теперь очередь сервера представиться — он прибавляет к полученному времени 1 (единицу) и, зашифровав все обратно, отсылает пакет пользователю. Ясно, что если в полученном пакете, после дешифрации будет обнаружена та же временная метка, которую пользователь отсылал, но увеличенная на единицу, то сервер признается подлинным.
А вот про время я упомянул не зря. Доступ выдается на определенное время (часто на 10 часов), время проставляется в билете, и по истечении срока действия билет считается просроченным — сервер больше такой билет не примет, что впрочем не смертельно — получите новый. Гораздо печальнее будет, если время на вашем ПК разойдется более чем на 5 минут с KDC — войти в систему не сможете, так как протокол Kerberos требует от участников процесса синхронного времени — чтобы билеты истекали на всех машинах сети одновременно, и не было возможности использовать просроченный билет для доступа куда либо.
Итак, билет действует 10 часов, не требуя больше ввода пароля, для обращения к серверу. Но ведь так утомительно вводить пароль на каждый сервер в сети, тем более, что вы могли заметить — никто так не делает, после одного ввода пароля при логине в Windows вы больше не вводите пароли на доступ к расшареным сетевым папкам. А все от того, что получать билеты ведь тоже можно по билету! Подобная конструкция называется TGT — билет для получения билетов. Тут все так же как и было показано, получаем билет на доступ к сетевой службе, выдающей билеты (TGS — Ticket-Granting Service), которая признает Пупкина Пупкиным. А раз Пупкин это Пупкин, то можно ему выдавать билеты на Пупкина для доступа к различным серверам сети.
Таким образом, в течении действия TGT вы можете получать билеты на доступ к сетевым службам без повторного ввода пароля. Удобно работает, правда?
Заметьте, что Kerberos выдает билеты на доступ к любой службе сети, есть ли у вас право ей пользоваться или нет, протоколу аутентификации безразлично — его дело удостоверить вашу личность, а правами занимаются совсем другие механизмы.
Введение в криптографию и шифрование, часть первая. Лекция в Яндексе
Чтобы сходу понимать материалы об инфраструктуре открытых ключей, сетевой безопасности и HTTPS, нужно знать основы криптографической теории. Один из самых быстрых способов изучить их — посмотреть или прочитать лекцию Владимира ivlad Иванова. Владимир — известный специалист по сетям и системам их защиты. Он долгое время работал в Яндексе, был одним из руководителей нашего департамента эксплуатации.
Мы впервые публикуем эту лекцию вместе с расшифровкой. Начнём с первой части. Под катом вы найдёте текст и часть слайдов.
Я когда-то читал в МГУ лекции по крипте, и они занимали у меня по полгода. Я попытаюсь вам всё рассказать за два с половиной часа. Никогда этого не делал. Вот и попробуем.
Кто понимает, что такое DES? AES? TLS? Биноминальное отображение?
Говорить постараемся в общих терминах, потому что сложно и глубоко разбирать не получится: мало времени и базовая подготовка должна быть довольно большой. Будем оперировать общими концепциями, довольно поверхностно.
Мы поговорим о том, что такое криптографические примитивы, простые штучки, из которых впоследствии можно строить более сложные вещи, протоколы.
Мы будем говорить о трех примитивах: симметричном шифровании, аутентификации сообщений и асимметричном шифровании. Из них вырастает очень много протоколов.
Сегодня мы попробуем чуть-чуть поговорить про то, как вырабатываются ключи. В общем виде поговорим о том, как отправить защищенное сообщение, используя криптопримитивы, которые у нас есть, от одного пользователя другому.
Когда люди говорят про крипту вообще, есть несколько фундаментальных принципов. Один из них — принцип Керкгоффса, который говорит, что open source в криптографии очень важен. Если точнее, он дает общее знание об устройстве протоколов. Смысл очень простой: криптографические алгоритмы, которые используются в той или иной системе, не должны быть секретом, обеспечивающим ее устойчивость. В идеале необходимо строить системы так, чтобы их криптографическая сторона была полностью известна атакующему и единственным секретом являлся криптографический ключ, который в данной системе используется.
Современные и коммерчески доступные системы шифрования — все или почти все или лучшие из них — построены из компонент, устройство и принцип работы которых хорошо известны. Единственная секретная вещь в них — ключ шифрования. Есть только одно известное мне значимое исключение — набор секретных криптографических протоколов для всевозможных государственных организаций. В США это называется NSA suite B, а в России это всякие странные секретные алгоритмы шифрования, которые до определенной степени используются военными и государственными органами.
Не сказал бы, что такие алгоритмы приносят им большую пользу, за исключением того, что это примерно как атомная физика. Можно попытаться по пониманию дизайна протокола понять направление мысли людей, которые его разработали, и неким образом обогнать другую сторону. Не знаю, насколько такой принцип актуален по нынешним меркам, но люди, знающие про это больше меня, поступают именно так.
В каждом коммерческом протоколе, с которым вы столкнетесь, ситуация обстоит иначе. Там везде используется открытая система, все придерживаются этого принципа.
Первый криптографический примитив — симметричные шифры. 
Они очень простые. У нас есть какой-то алгоритм, на вход которого поступает открытый текст и нечто, называемое ключом, какое-то значение. На выходе получается зашифрованное сообщение. Когда мы хотим его дешифровать, важно, чтобы мы брали тот же самый ключ шифрования. И, применяя его к другому алгоритму, алгоритму расшифровки, мы из шифротекста получаем наш открытый текст назад. 
Какие здесь важные нюансы? В большинстве распространенных алгоритмов симметричного шифрования, с которыми можно столкнуться, размер шифротекста всегда равен размеру открытого текста. Современные алгоритмы шифрования оперируют размерами ключей. Размер ключей измеряется в битах. Современный размер — от 128 до 256 бит для алгоритмов симметричного шифрования. Об остальном, в том числе о размере блока, мы поговорим позже. 
Исторически, в условном IV веке до нашей эры, существовало два метода дизайна шифров: шифры подстановки и перестановки. Шифры подстановки — алгоритм, где в те времена заменяли одну букву сообщения на другую по какому-то принципу. Простой шифр подстановки — по таблице: берем таблицу, где написано, что А меняем на Я, Б на Ю и т. д. Дальше по этой таблице шифруем, по ней же дешифруем.
Как вы считаете, с точки зрения размера ключа насколько это сложный алгоритм? Сколько вариантов ключей существует? Порядок факториала длины алфавита. Мы берем таблицу. Как мы ее строим? Допустим, есть таблица на 26 символов. Букву А можем заменить на любой из них, букву Б — на любой из оставшихся 25, С — на любой из оставшихся 24… Получаем 26*25*24*… — то есть факториал от 26. Факториал размерности алфавита.
Если взять log226!, это будет очень много. Думаю, вы точно получите в районе 100 бит длины ключа, а то и поболее. Оказалось, что с точки зрения формального представления стойкости указанный алгоритм шифрования — довольно неплохой. 100 бит — приемлемо. При этом все, наверное, в детстве или юности, когда сталкивались с кодировками, видели, что такие алгоритмы дешифруются тривиально. Проблем с расшифровкой нет.
Долго существовали всякие алгоритмы подстановки в разных конструкциях. Одним из них, еще более примитивным, является шифр Цезаря, где таблица формируется не случайной перестановкой символов, а сдвигом на три символа: А меняется на D, B на Е и т. д. Понятно, что шифр Цезаря вместе со всеми его вариантами перебрать очень легко: в отличие от табличной подстановки, в ключе Цезаря всего 25 вариантов при 26 буквах в алфавите — не считая тривиального шифрования самого в себя. И его как раз можно перебрать полным перебором. Здесь есть некоторая сложность.
Почему шифр табличной подстановки такой простой? Откуда возникает проблема, при которой мы можем легко, даже не зная ничего про криптографию, расшифровать табличную подстановку? Дело в частотном анализе. Есть самые распространенные буквы — какая-нибудь И или Е. Их распространенность велика, гласные встречаются намного чаще, чем согласные, и существуют негативные пары, никогда не встречающиеся в естественных языках, — что-то вроде ЬЪ. Я даже давал студентам задание сделать автоматический дешифратор шифра подстановки, и, в принципе, многие справлялись.
В чем проблема? Надо статистику распределения букв исказить, чтобы распространенные буквы не так светились в зашифрованном тексте. Очевидный способ: давайте будем шифровать самые часто встречающиеся буквы не в один символ, а в пять разных, например. Если буква встречается в среднем в пять раз чаще, то давайте по очереди — сначала в первый символ будем зашифровывать, потом во второй, в третий и т. д. Далее у нас получится маппинг букв не 1 к 1, а, условно, 26 к 50. Статистика, таким образом, нарушится. Перед нами первый пример полиалфавитного шифра, который как-то работал. Однако с ним есть довольно много проблем, а главное, очень неудобно работать с таблицей.
Дальше придумали: давайте не будем шифровать такими таблицами, а попробуем брать шифр Цезаря и для каждой следующей буквы изменять сдвиг. Результат — шифр Виженера.
Берем в качестве ключа слово ВАСЯ. Берем сообщение МАША. Задействуем шифр Цезаря, но отсчитывая от этих букв. Например, В — третья буква в алфавите. Мы должны сдвинуть на три буквы соответствующую букву в открытом тексте. М сдвигается в П. А в А. Ш — на 16, перескочим букву А, получим, условно, Д. Я сдвинет А в Я. ПАДЯ.
Что удобно в получившемся шифре? Здесь было две одинаковых буквы, но в результате они зашифровались в разные. Это классно, потому что размывает статистику. Метод хорошо работал, пока где-то в XIX веке, буквально недавно на фоне истории криптографии, не придумали, как его ломать. Если посмотреть на сообщение из нескольких десятков слов, а ключ довольно короткий, то вся конструкция выглядит как несколько шифров Цезаря. Мы говорим: окей, давайте каждую четвертую букву — первую, пятую, девятую — рассматривать как шифр Цезаря. И поищем среди них статистические закономерности. Мы обязательно их найдем. Потом возьмем вторую, шестую, десятую и так далее. Опять найдем. Тем самым мы восстановим ключ. Единственная проблема — понять, какой он длины. Это не очень сложно, ну какой он может быть длины? Ну 4, ну 10 символов. Перебрать 6 вариантов от 4 до 10 не очень сложно. Простая атака — она была доступна и без компьютеров, просто за счет ручки и листа бумаги.
Как из этой штуки сделать невзламываемый шифр? Взять ключ размера текста. Персонаж по имени Клод Шэннон в ХХ веке, в 1946 году, написал классическую первую работу по криптографии как по разделу математики, где сформулировал теорему. Длина ключа равна длине сообщения — он использовал XOR вместо сложения по модулю, равному длине алфавита, но в данной ситуации это не очень принципиально. Ключ сгенерирован случайным образом, является последовательностью случайных бит, и на выходе тоже получится случайная последовательность бит. Теорема: если у нас есть такой ключ, то подобная конструкция является абсолютно стойкой. Доказательство не очень сложное, но сейчас не буду про него говорить.
Важно, что можно создать невзламываемый шифр, но у него есть недостатки. Во-первых, ключ должен быть абсолютно случайным. Во-вторых, он никогда не должен использоваться повторно. В-третьих, длина ключа должна быть равна длине сообщения. Почему нельзя использовать один и тот же ключ для шифровки разных сообщений? Потому что, перехватив этот ключ в следующий раз, можно будет расшифровать все сообщения? Нет. В первых символах будет виден шифр Цезаря? Не очень понял. Кажется, нет.
Возьмем два сообщения: МАША, зашифрованная ключом ВАСЯ, и другое слово, у которого ключ тоже был ВАСЯ, — ВЕРА. Получим примерно следующее: ЗЕШЯ. Сложим два полученных сообщения, причем так, чтобы два ключа взаимно удалились. В итоге получим лишь разницу между осмысленным шифротекстом и осмысленным шифротекстом. На XOR это делается удобнее, чем на сложении по длине алфавита, но разницы практически никакой.
Если мы получили разницу между двумя осмысленными шифротекстами, то дальше, как правило, становится намного легче, поскольку у текстов на естественном языке высокая избыточность. Зачастую мы можем догадаться, что происходит, делая разные предположения, гипотезы. А главное, что каждая верная гипотеза будет раскрывать нам кусочек ключа, а значит и кусочки двух шифротекстов. Как-то так. Поэтому плохо.
Помимо шифров подстановки, были еще шифры перестановки. С ними тоже все довольно просто. Берем сообщение ВАСЯИ, записываем его в блок какой-то длины, например в ДИДОМ, и считываем результат так же.
Не бог весть какая штука. Как ее ломать, тоже понятно — переберем все возможные варианты перестановок. Тут их не очень много. Берем длину блока, подбираем и восстанавливаем.
В качестве следующей итерации был выбран такой способ: возьмем все то же самое, а сверху напишем какой-нибудь ключ — СИМОН. Переставим столбцы так, чтобы буквы оказались в алфавитном порядке. В итоге получим новую перестановку по ключу. Она уже намного лучше старой, поскольку количество перестановок намного больше и подобрать ее не всегда легко.
Каждый современный шифр тем или иным способом базируется на этих двух принципах — подстановки и перестановки. Сейчас их использование намного более сложное, но сами базовые принципы остались прежними. 
Если говорить про современные шифры, они делятся на две категории: поточные и блочные. Поточный шифр устроен так, что фактически представляет собой генератор случайных чисел, выход которого мы складываем по модулю 2, «ксорим», с нашим шифротекстом, как видно у меня на слайде. Ранее я сказал: если длина получившегося ключевого потока — она же ключ — абсолютно случайная, никогда повторно не используется и ее длина равна длине сообщения, то у нас получился абсолютно стойкий шифр, невзламываемый.
Возникает вопрос: как сгенерировать на такой шифр случайный, длинный и вечный Ключ? Как вообще работают поточные шифры? По сути, они представляют собой генератор случайного числа на основе какого-то начального значения. Начальное значение и является ключом шифра, ответом.
Из этой истории есть одно занятное исключение — шифроблокноты. Речь идет о настоящей шпионской истории про настоящий шпионаж. Некие люди, которым нужна абсолютно устойчивая коммуникация, генерируют случайные числа — например, буквальным бросанием кубика или буквальным выниманием шаров из барабана, как в лото. Создают два листа, где печатают эти случайные числа. Один лист отдают получателю, а второй оставляют у отправителя. При желании пообщаться они используют этот поток случайных чисел в качестве ключевого потока. Нет, история взята не из совсем далекого прошлого. У меня есть настоящий радиоперехват от 15 октября 2014 года: 7 2 6, 7 2 6, 7 2 6. Это позывной. 4 8 3, 4 8 3, 4 8 3. Это номер шифроблокнота. 5 0, 5 0, 5 0. Это количество слов. 8 4 4 7 9 8 4 4 7 9 2 0 5 1 4 2 0 5 1 4 и т. д. 50 таких числовых групп. Не знаю где, где-то не в России сидел какой-нибудь человек с ручкой и карандашом у обычного радиоприемника и записывал эти цифры. Записав их, он достал похожую штуку, сложил их по модулю 10 и получил свое сообщение. Другими словами, это реально работает, и подобное сообщение нельзя взломать. Если действительно были сгенерированы хорошие случайные числа и он впоследстии сжег бумажку с ключом, то осуществить взлом нельзя никак, совсем.
Но тут есть довольно много проблем. Первая — как нагенерировать по-настоящему хорошие случайные числа. Мир вокруг нас детерминирован, и если мы говорим про компьютеры, они детерминированы полностью.
Во-вторых, доставлять ключи такого размера… если мы говорим про передачу сообщений из 55 цифровых групп, то проделать подобное не очень сложно, а вот передать несколько гигабайт текста — уже серьезная проблема. Следовательно, нужны какие-нибудь алгоритмы, которые, по сути, генерируют псевдослучайные числа на основе какого-нибудь небольшого начального значения и которые могли бы использоваться в качестве таких потоковых алгоритмов. 
Самый исторически распространенный алгоритм подобного рода называется RC4. Он был разработан Роном Ривестом лет 25 назад и активно использовался очень долго, был самым распространенным алгоритмом для TLS, всех его различных вариантов, включая HTTPS. Но в последнее время RC4 начал показывать свой возраст. Для него существует некоторое количество атак. Он активно используется в WEP. Была одна хорошая лекция Антона, история, которая показывает: плохое применение пристойного даже по нынешним меркам алгоритма шифрования приводит к тому, что компрометируется вся система.
RC4 устроен несложно. На слайде целиком описана его работа. Есть внутренний байтовый стейт из 256 байт. На каждом шаге этого стейта есть два числа, два указателя на разные байты в стейте. И на каждом шаге происходит сложение между этими числами — они помещаются в некоторое место стейта. Полученный оттуда байт является следующим байтом в числовой последовательности. Вращая эту ручку таким образом, выполняя подобное действие на каждом шаге, мы получаем каждый следующий байт. Мы можем получать следующий байт числовой последовательности вечно, потоком.
Большое достоинство RC4 — в том, что он целиком внутрибайтовый, а значит, его программная реализация работает довольно быстро — сильно быстрее, в разы, если не в десятки раз быстрее, чем сравнимый и существовавший примерно в одно время с ним шифр DES. Поэтому RC4 и получил такое распространение. Он долго был коммерческим секретом компании RSA, но потом, где-то в районе 90-х годов, некие люди анонимно опубликовали исходники его устройства в списке рассылки cypherpunks. В результате возникло много драмы, были крики, мол, как же так, какие-то неприличные люди украли интеллектуальную собственность компании RSA и опубликовали ее. RSA начала грозить всем патентами, всевозможными юридическими преследованиями. Чтобы их избежать, все реализации алгоритма, которые находятся в опенсорсе, называются не RC4, а ARC4 или ARCFOUR. А — alleged. Речь идет о шифре, который на всех тестовых кейсах совпадает с RC4, но технически вроде как им не является.
Если вы конфигурируете какой-нибудь SSH или OpenSSL, вы в нем не найдете упоминания RC4, а найдете ARC4 или что-то подобное. Несложная конструкция, он уже старенький, на него сейчас есть атаки, и он не очень рекомендуется к использованию. 
Было несколько попыток его заменить. Наверное, на мой предвзятый взгляд самым успешным стал шифр Salsa20 и несколько его последователей от широко известного в узких кругах персонажа Дэна Берштайна. Линуксоидам он обычно известен как автор qmail.
Salsa20 устроен сложнее, чем DES. Его блок-схема сложная, но он обладает несколькими интересными и классными свойствами. Для начала, он всегда выполняется за конечное время, каждый его раунд, что немаловажно для защиты от тайминг-атак. Это такие атаки, где атакующий наблюдает поведение системы шифрования, скармливая ей разные шифротексты или разные ключи за этим черным ящиком. И, понимая изменения во времени ответа или в энергопотреблении системы, он может делать выводы о том, какие именно процессы произошли внутри. Если вы думаете, что атака сильно надуманная, это не так. Очень широко распространены атаки подобного рода на смарт-карты — очень удобные, поскольку у атакующего есть полный доступ к коробке. Единственное, что он, как правило, не может в ней сделать, — прочитать сам ключ. Это сложно, а делать все остальное он может — подавать туда разные сообщения и пытаться их расшифровать.
Salsa20 устроен так, чтобы он всегда выполнялся за константное одинаковое время. Внутри он состоит всего из трех примитивов: это сдвиг на константное время, а также сложение по модулю 2 и по модулю 32, 32-битных слов. Скорость Salsa20 еще выше, чем у RC4. Он пока что не получил такого широкого распространения в общепринятой криптографии — у нас нет cipher suite для TLS, использующих Salsa20, — но все равно потихоньку становится мейнстримом. Указанный шифр стал одним из победителей конкурса eSTREAM по выбору лучшего поточного шифра. Их там было четыре, и Salsa — один из них. Он потихоньку начинает появляться во всяких опенсорс-продуктах. Возможно, скоро — может, через пару лет — появятся даже cipher suite в TLS с Salsa20. Мне он очень нравится.
Какая проблема с поточными шифрами? Если у вас есть поток данных, передаваемый по сети, поточный шифр для него удобен. К вам влетел пакет, вы его зашифровали и передали. Влетел следующий — приложили эту гамму и передали. Первый байт, второй, третий по сети идут. Удобно.
Если данные, например гигабайтный файл целиком, зашифрованы на диске поточным шифром, то чтобы прочитать последние 10 байт, вам нужно будет сначала сгенерировать гаммы потока шифра на 1 гигабайт, и уже из него взять последние 10 байт. Очень неудобно.
В Salsa указанная проблема решена, поскольку в нем на вход поступает в том числе и номер блока, который надо сгенерировать. Дальше к номеру блока 20 раз применяется алгоритм. 20 раундов — и мы получаем 512 бит выходного потока.
Самая успешная атака — в 8 раундов. Сам он 256-битный, а сложность атаки в 8 раундов — 250 или 251 бит. Считается, что он очень устойчивый, хороший. Публичный криптоанализ на него есть. Несмотря на всю одиозность личности Берштайна в этом аспекте, мне кажется, что штука хорошая и у нее большее будущее.
Исторически поточных шифров было много. Они первые не только в коммерческом шифровании, но и в военном. Там использовалось то, что называлось линейными регистрами сдвига.
Какие тут проблемы? Первая: в классических поточных шифрах, не в Salsa, чтобы расшифровать последнее значение гигабайтного файла, последний байт, вам нужно сначала сгенерировать последовательность на гигабайт. От нее вы задействуете только последний байт. Очень неудобно.
Поточные шифры плохо пригодны для систем с непоследовательным доступом, самый распространенный пример которых — жесткий диск.
Есть и еще одна проблема, о ней мы поговорим дальше. Она очень ярко проявляется в поточных шифрах. Две проблемы в совокупности привели к тому, что здорово было бы использовать какой-нибудь другой механизм.
Другой механизм для симметричного шифрования называется блочным шифром. Он устроен чуть по-другому. Он не генерирует этот ключевой поток, который надо ксорить с нашим шифротекстом, а работает похоже — как таблица подстановок. Берет блок текста фиксированной длины, на выходе дает такой же длины блок текста, и всё.
Размер блока в современных шифрах — как правило, 128 бит. Бывают разные вариации, но как правило, речь идет про 128 или 256 бит, не больше и не меньше. Размер ключа — точно такой же, как для поточных алгоритмов: 128 или 256 бит в современных реализациях, от и до.
Из всех широко распространенных блочных шифров сейчас можно назвать два — DES и AES. DES очень старый шифр, ровесник RC4. У DES сейчас размер блока — 64 бита, а размер ключа — 56 бит. Создан он был в компании IBM под именем Люцифер. Когда в IBM его дизайном занимался Хорст Фейстель, они предложили выбрать 128 бит в качестве размера блока. А размер ключа был изменяемый, от 124 до 192 бит.
Когда DES начал проходит стандартизацию, его подали на проверку в том числе и в АНБ. Оттуда он вернулся с уменьшенным до 64 бит размером блока и уменьшенным до 56 бит размером ключа. 
20 лет назад вся эта история наделала много шума. Все говорили — наверняка они туда встроили закладку, ужасно, подобрали такой размер блока, чтобы получить возможность атаковать. Однако большое достоинство DES в том, что это первый шифр, который был стандартизован и стал тогда основой коммерческой криптографии.
Его очень много атаковали и очень много исследовали. Есть большое количество всевозможных атак. Но ни одной практически реализуемой атаки до сих пор нет, несмотря на его довольно почтенный возраст. Единственное, размер ключа в 56 бит сейчас просто неприемлемый и можно атаковать полным перебором.
Как устроен DES? Фейстель сделал классную штуку, которую называют сетью Фейстеля. Она оперирует блоками. Каждый блок, попадающий на вход, делится на две части: левую и правую. Левая часть становится правой без изменений. Правая часть ксорится с результатом вычисления некой функции, на вход которой подается левая часть и ключ. После данного преобразования правая часть становится левой. 
У нее есть несколько интересных достоинств. Первое важное достоинство: функция F может быть любой. Она не должна обладать свойствами обратимости, она может и не быть линейной или нелинейной. Все равно шифр остается симметричным.
Второе очень удобное свойство: расшифровка устроена так же, как шифрование. Если нужно расшифровать данную сеть, вы в прежний механизм вместо открытого текста засовываете шифротекст и на выходе вновь получаете открытый текст.
Почему это удобно? 30 лет назад удобство являлось следствием того, что шифраторы были аппаратными и заниматься дизайном отдельного набора микросхем для шифрования и для расшифровки было трудоемко. А в такой конструкции все очень здорово, фактически мы можем один блок использовать для разных задач.
В реальной ситуации такая конструкция — один раунд блочного шифра, то есть в реальном шифре она выполняется 16 раз с разными ключами. На каждом 16 раунде генерируется отдельный ключ и 16 раундовых подключей, каждый из которых применяется на каждом раунде для функции F.
Раунд тоже выглядит довольно несложно — он состоит всего из двух-трех операций. Первая операция: размер попавшегося полублока становится равен 32 бита, полубок проходит функцию расширения, на вход попадает 32 бита. Дальше мы по специальной несекретной таблице немного добавляем к 32 битам, превращая их в 48: некоторые биты дублируются и переставляются, такая гребеночка.
Потом мы его ксорим с раундовым ключом, размер которого — тоже 48 бит, и получаем 48-битное значение.
Затем оно попадает в набор функций, которые называются S-боксы и преобразуют каждый бит входа в четыре бита выхода. Следовательно, на выходе мы из 48 бит снова получаем 32 бита.
И наконец, окончательная перестановка P. Она опять перемешивает 32 бита между собой. Все очень несложно, раундовая функция максимально простая.
Самое интересное ее свойство заключается в указанных S-боксах: задумано очень сложное превращение 6 бит в 4. Если посмотреть на всю конструкцию, видно, что она состоит из XOR и пары перестановок. Если бы S-боксы были простыми, весь DES фактически представлял бы собой некоторый набор линейных преобразований. Его можно было бы представить как матрицу, на которую мы умножаем наш открытый текст, получая шифротекст. И тогда атака на DES была бы тривиальной: требовалось бы просто подобрать матрицу.
Вся нелинейность сосредоточена в S-боксах, подобранных специальным образом. Существуют разные анекдоты о том, как именно они подбирались. В частности, примерно через 10 лет после того, как DES был опубликован и стандартизован, криптографы нашли новый тип атак — дифференциальный криптоанализ. Суть атаки очень простая: мы делаем мелкие изменения в открытом тексте — меняя, к примеру, значение одного бита с 0 на 1 — и смотрим, что происходит с шифротекстом. Выяснилось, что в идеальном шифре изменение одного бита с 0 на 1 должно приводить к изменению ровно половины бит шифротекста. Выяснилось, что DES, хоть он и был сделан перед тем, как открыли дифференциальный криптоанализ, оказался устойчивым к этому типу атак. В итоге в свое время возникла очередная волна паранойи: мол, АНБ еще за 10 лет до открытых криптографов знало про существование дифференциального криптоанализа, и вы представляете себе, что оно может знать сейчас.
Анализу устройства S-боксов посвящена не одна сотня статей. Есть классные статьи, которые называются примерно так: особенности статистического распределения выходных бит в четвертом S-боксе. Потому что шифру много лет, он досконально исследован в разных местах и остается достаточно устойчивым даже по нынешним меркам.
56 бит сейчас уже можно просто перебрать на кластере машин общего назначения — может, даже на одном. И это плохо. Что можно предпринять?
Просто сдвинуть размер ключа нельзя: вся конструкция завязана на его длину. Triple DES. Очевидный ответ был таким: давайте мы будем шифровать наш блок несколько раз, устроим несколько последовательных шифрований. И здесь всё не слишком тривиально.
Допустим, мы берем и шифруем два раза. Для начала нужно доказать, что для шифрований k1 и k2 на двух разных ключах не существует такого шифрования на ключе k3, что выполнение двух указанных функций окажется одинаковым. Здесь вступает в силу свойство, что DES не является группой. Тому существует доказательство, пусть и не очень тривиальное.
Окей, 56 бит. Давайте возьмем два — k1 и k2. 56 + 56 = 112 бит. 112 бит даже по нынешним меркам — вполне приемлемая длина ключа. Можно считать нормальным всё, что превышает 100 бит. Так почему нельзя использовать два шифрования, 112 бит?
Одно шифрование DES состоит из 16 раундов. Сеть применяется 16 раз. Изменения слева направо происходят 16 раз. И он — не группа. Есть доказательство того, что не существует такого ключа k3, которым мы могли бы расшифровать текст, последовательно зашифрованный выбранными нами ключами k1 и k2.
Есть атака. Давайте зашифруем все возможные тексты на каком-нибудь ключе, возьмем шифротекст и попытаемся его расшифровать на всех произвольных ключах. И здесь, и здесь получим 2 56 вариантов. И где-то они сойдутся. То есть за два раза по 2 56 вариантов — плюс память для хранения всех расшифровок — мы найдем такую комбинацию k1 и k2, при которых атака окажется осуществимой.
Эффективная стойкость алгоритма — не 112 бит, а 57, если у нас достаточно памяти. Нужно довольно много памяти, но тем не менее. Поэтому решили — так работать нельзя, давайте будем шифровать три раза: k1, k2, k3. Конструкция называется Triple DES. Технически она может быть устроена по-разному. Поскольку в DES шифрование и дешифрование — одно и то же, реальные алгоритмы иногда выглядят так: зашифровать, расшифровать и снова расшифровать — чтобы выполнять операции в аппаратных реализациях было проще.
Наша обратная реализация Triple DES превратится в аппаратную реализацию DES. Это может быть очень удобно в разных ситуациях для задачи обратной совместимости.
Где применялся DES? Вообще везде. Его до сих пор иногда можно пронаблюдать для TLS, существуют cipher suite для TLS, использующие Triple DES и DES. Но там он активно отмирает, поскольку речь идет про софт. Софт легко апдейтится.
А вот в банкоматах он отмирал очень долго, и я не уверен, что окончательно умер. Не знаю, нужна ли отдельная лекция о том, как указанная конструкция устроена в банкоматах. Если коротко, клавиатура, где вы вводите PIN, — самодостаточная вещь в себе. В нее загружены ключи, и наружу она выдает не PIN, а конструкцию PIN-блок. Конструкция зашифрована — например, через DES. Поскольку банкоматов огромное количество, то среди них много старых и до сих пор можно встретить банкомат, где внутри коробки реализован даже не Triple DES, а обычный DES.
Однажды DES стал показывать свой возраст, с ним стало тяжело, и люди решили придумать нечто поновее. Американская контора по стандартизации, которая называется NIST, сказала: давайте проведем конкурс и выберем новый классный шифр. Им стал AES.
DES расшифровывается как digital encrypted standard. AES — advanced encrypted standard. Размер блока в AES — 128 бит, а не 64. Это важно с точки зрения криптографии. Размер ключа у AES — 128, 192 или 256 бит. В AES не используется сеть Фейстеля, но он тоже многораундовый, в нем тоже несколько раз повторяются относительно примитивные операции. Для 128 бит используется 10 раундов, для 256 — 14.
Сейчас покажу, как устроен каждый раунд. Первый и последний раунды чуть отличаются от стандартной схемы — тому есть причины.
Как и в DES, в каждом раунде AES есть свои раундовые ключи. Все они генерируются из ключа шифрования для алгоритма. В этом месте AES работает так же, как DES. Берется 128-битный ключ, из него генерируется 10 подключей для 10 раундов. Каждый подключ, как и в DES, применяется на каждом конкретном раунде.
Каждый раунд состоит из четырех довольно простых операций. Первый раунд — подстановка по специальной таблице.
В AES мы строим байтовую матрицу размером 4 на 4. Каждый элемент матрицы — байт. Всего получается 16 байт или 128 бит. Они и составляют блок AES целиком.
Вторая операция — побайтовый сдвиг.
Устроен он несложно, примитивно. Мы берем матрицу 4 на 4. Первый ряд остается без изменений, второй ряд сдвигается на 1 байт влево, третий — на 2 байта, четвертый — на 3, циклично.
Далее мы производим перемешивание внутри колонок. Это тоже очень несложная операция. Она фактически переставляет биты внутри каждой колонки, больше ничего не происходит. Можно считать ее умножением на специальную функцию.
Четвертая, вновь очень простая операция — XOR каждого байта в каждой колонке с соответствующим байтом ключа. Получается результат.
В первом раунде лишь складываются ключи, а три других операции не используются. В последнем раунде не происходит подобного перемешивания столбцов:
Дело в том, что это не добавило бы никакой криптографической стойкости и мы всегда можем обратить последний раунд. Решили не тормозить конструкцию лишней операцией.
Мы повторяем 4 описанных шага 10 раз, и на выходе из 128-битного блока снова получаем 128-битный блок.
Какие достоинства у AES? Он оперирует байтами, а не битами, как DES. AES намного быстрее в софтовых реализациях. Если сравнить скорость выполнения AES и DES на современной машине, AES окажется в разы быстрее, даже если говорить о реализации исключительно в программном коде.
Производители современных процессоров, Intel и AMD, уже разработали ассемблерные инструкции для реализации AES внутри чипа, потому что стандарт довольно несложный. Как итог — AES еще быстрее. Если через DES на современной машинке мы можем зашифровать, например, 1-2 гигабита, то 10-гигабитный AES-шифратор находится рядом и коммерчески доступен обычным компаниям.
Блочный алгоритм шифрует блок в блок. Он берет блок на 128 или 64 бита и превращает его в блок на 128 или 64 бита.
А что мы будем делать, если потребуется больше, чем 16 байт?
Первое, что приходит в голову, — попытаться разбить исходное сообщение на блоки, а блок, который останется неполным, дополнить стандартной, известной и фиксированной последовательностью данных.
Да, очевидно, побьем всё на блоки по 16 байт и зашифруем. Такое шифрование называется ECB — electronic code boot, когда каждый из блоков по 16 байт в случае AES или по 8 байт в случае DES шифруется независимо. 
Шифруем каждый блок, получаем шифротекст, складываем шифротексты и получаем полный результат. 
Примерно так выглядит картинка, зашифрованная в режиме ECB. Даже если мы представим себе, что шифр полностью надежен, кажется, что результат менее чем удовлетворительный. В чем проблема? В том, что это биективное отображение. Для одинакового входа всегда получится одинаковый выход, и наоборот — для одинакового шифротекста всегда получится одинаковый открытый текст.
Надо бы как-нибудь исхитриться и сделать так, чтобы результат на выходе все время получался разным, в зависимости от местонахождения блока — несмотря на то, что на вход подаются одинаковые блоки шифротекста. Первым способом решения стал режим CBC. 
Мы не только берем ключ и открытый текст, но и генерируем случайное число, которое не является секретным. Оно размером с блок. Называется оно инициализационным вектором.
При шифровании первого блока мы берем инициализационный вектор, складываем его по модулю 2 с открытым текстом и шифруем. На выходе — шифротекст. Дальше складываем полученный шифротекст по модулю 2 со вторым блоком и шифруем. На выходе — второй блок шифротекста. Складываем его по модулю 2 с третьим блоком открытого текста и шифруем. На выходе получаем третий блок шифротекста. Здесь видно сцепление: мы каждый следующий блок сцепляем с предыдущим.
В результате получится картинка, где всё, начиная со второго блока, равномерно размазано, а первый блок каждый раз зависит от инициализационного вектора. И она будет абсолютно перемешана. Здесь все неплохо.
Однако у CBC есть несколько проблем.
О размере блока. Представьте: мы начали шифровать и, допустим, у нас DES. Если бы DES был идеальным алгоритмом шифрования, выход DES выглядел бы как равномерно распределенные случайные числа длиной 64 бита. Какова вероятность, что в выборке из равномерно распределенных случайных чисел длиной 64 бита два числа совпадут для одной операции? 1/(2 64 ). А если мы сравниваем три числа? Давайте пока прервемся.
