Advanced Encryption Standard

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 sa suite B des algorithmes cryptographiques. Il est actuellement le plus utilisé et le plus sûr.

Origine 

Il est issu d'un appel à candidatures international 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. Au bout de cette évaluation, ce fut finalement 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) qui de nos jours devenait obsolète, car il utilisait des clefs de 56 bits seulement. L'AES a été adopté par le NIST (National Institute of Standards and Technology) en 2001. De plus, son utilisation est très pratique car il consomme peu de mémoire et n'étant pas basé sur un schéma de Feistel, sa complexité est moindre et il est plus facile à mettre en œuvre.

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[0])
    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

Attaques 
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.

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.

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 
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.

Recommandations de la NSA 
Le gouvernement américain a annoncé en juin 2003 à propos de l'algorithme AES (suivant une analyse de la NSA) :

Attaques par canal auxiliaire 
Les attaques par canal auxiliaire exploitent les faiblesses du système implémentant l'algorithme de chiffrement et ne le visent donc pas directement. Il existe plusieurs attaques connues de ce type pour l'AES.

En , Daniel J. Bernstein a publié une attaque temporelle utilisée pour casser une clé AES sur un serveur spécifique tournant avec OpenSSL.

En , Endre Bangerter, David Gullasch et Stephan Krenn ont publié un article décrivant la récupération d'une clé secrète AES-128 quasiment en temps réel qui fonctionne sur certaines implémentations. Comme les précédentes attaques de ce type, elle nécessite de lancer un programme sur la machine qui effectue le chiffrement.

Notes et références

Annexes

Articles connexes 
 Cryptographie symétrique
 DES
 Mode d'opération (cryptographie)
 Projet NESSIE
 Rijndael
 Triple DES

Liens externes 
  
  Federal Information Processing Standards Publication 197 November 26, 2001 Announcing the ADVANCED ENCRYPTION STANDARD (AES
  code de référence
   (lien mort) *lien vers archive.org*
  Présentation de l'attaque XSL
  L'avis des experts sur l'attaque XSL
  « A timing attack against Rijndael » (1999) - Francois Koeune, Jean-Jacques Quisquater
  AES timing attacks - discussion sur comp.dsp
  Report of the Development of the Advanced Encryption Standard (AES)
  AES Esperance de vie d'un algoritme
  outil aes

Algorithme de cryptographie symétrique
Algorithme de chiffrement par bloc