AES-192: Entendendo a Criptografia Avançada em Profundidade

▶ Introdução

O AES-192 (Advanced Encryption Standard com chave de 192 bits) é um dos algoritmos de criptografia mais robustos e amplamente utilizados no mundo. Desenvolvido para substituir o antigo DES (Data Encryption Standard), o AES se tornou um padrão global adotado por governos, empresas e instituições financeiras devido à sua segurança e eficiência.

Neste artigo, “o algoritmo AES-192”, vamos explorar em profundidade o AES-192, desde sua estrutura matemática até suas aplicações práticas. Você entenderá por que ele é considerado um dos pilares da segurança digital moderna e como ele protege dados sensíveis contra ataques cibernéticos.

Se você é um profissional de T.I., um entusiasta de segurança da informação ou simplesmente quer entender como a criptografia avançada funciona, este guia foi feito para você.

▶ O Que É o AES-192?

O AES (Advanced Encryption Standard) é um algoritmo de criptografia simétrica, o que significa que a mesma chave é usada para criptografar e descriptografar dados. Ele foi estabelecido como padrão pelo NIST (National Institute of Standards and Technology) em 2001, após um rigoroso processo de seleção que incluiu diversos candidatos.

O AES possui três variantes principais, diferenciadas pelo tamanho da chave:

• AES-128 (chave de 128 bits)
• AES-192 (chave de 192 bits)
• AES-256 (chave de 256 bits)

O AES-192 oferece um equilíbrio entre segurança e desempenho, sendo amplamente utilizado em ambientes que exigem alta proteção, como sistemas militares, bancos e infraestruturas críticas.

▶ Como o AES-192 Funciona?

O AES-192 opera em blocos de 128 bits, aplicando uma série de transformações matemáticas para embaralhar os dados. O processo envolve várias rodadas de criptografia, cada uma composta por quatro etapas principais:

1. SubBytes – Substituição não linear de bytes usando uma tabela pré-definida (S-Box).
2. ShiftRows – Deslocamento de linhas do bloco de dados para difusão.
3. MixColumns – Combinação linear das colunas para aumentar a complexidade.
4. AddRoundKey – Aplicação de uma subchave derivada da chave principal.

No AES-192, esse processo se repete por 12 rodadas, garantindo uma segurança robusta contra ataques de força bruta e análise criptográfica.

➧ I. SubBytes – Substituição não linear de bytes usando uma tabela pré-definida (S-Box).

A etapa SubBytes (Substituição de Bytes) é uma das quatro transformações principais no processo de cifragem do AES (Advanced Encryption Standard).
Ela é responsável por introduzir não-linearidade no algoritmo, tornando-o resistente a ataques criptoanalíticos lineares e diferenciais.

➜ Objetivo do SubBytes

Substituir cada byte do Estado (matriz 4×4 de bytes que representa os dados em processamento) por um valor correspondente em uma tabela pré-definida chamada S-Box (Substitution Box). Essa substituição é não linear, o que significa que pequenas alterações na entrada produzem mudanças imprevisíveis na saída.

➜ Processo Detalhado

3. Construção da S-Box
A S-Box não é arbitrária; ela é construída matematicamente para garantir propriedades de segurança:

• Inversão Multiplicativa no Corpo GF(2⁸):
  • Cada byte é tratado como um elemento no corpo finito GF(2⁸) (Galois Field).
  • Calcula-se o inverso multiplicativo do byte (exceto 0x00, que mapeia para si mesmo).
• Transformação Afim:
  • Aplica-se uma transformação linear afim para evitar possíveis vulnerabilidades.Essa transformação consiste em uma multiplicação matricial e uma adição (XOR) com uma constante.
  Fórmula da S-Box:
  

S(x)=A⋅x−1+b

• x⁻¹ é o inverso multiplicativo em GF(2⁸).
• (A) é uma matriz fixa.
• (b) é um vetor constante (0x63 em hexadecimal).

5. Exemplo Prático

Estado antes de SubBytes (em hexadecimal):
| 19 | A0 | 9A | E9 || D3 | 7F | 4D | 2C | | 5A | 17 | 6B | 8C | | 20 | 75 | 47 | 94 |

Após SubBytes (cada byte é substituído pelo valor correspondente na S-Box):
| D4 | E0 | B8 | 1E | | 66 | F2 | 5B | 3F | | BE | 59 | 01 | 45 | | B7 | 95 | 1A | 20 |

➜ Conclusão

O SubBytes é crucial para a segurança do AES, pois:
✔ Introduz confusão (dificulta a relação entre chave e texto cifrado).
✔ Garante não-linearidade (protege contra ataques matemáticos).
✔ É eficiente em hardware/software devido ao uso de uma tabela pré-calculada.

Essa etapa, combinada com ShiftRows, MixColumns e AddRoundKey, forma as operações do AES que garantem sua robustez criptográfica.

➧ II. ShiftRows – Deslocamento de linhas do bloco de dados para difusão.

A etapa ShiftRows (Deslocamento de Linhas) é uma das quatro transformações principais no processo de cifragem do AES (Advanced Encryption Standard). Ela trabalha em conjunto com SubBytes, MixColumns e AddRoundKey para garantir difusão, ou seja, espalhar a influência de um único byte sobre todo o bloco de dados, aumentando a segurança contra ataques criptoanalíticos.

➜ Objetivo do ShiftRows

• Difusão: Espalhar os bytes pelo bloco para que um pequeno cambio no texto claro afete múltiplas posições no texto cifrado.
• Quebra de Padrões: Evitar que bytes da mesma coluna permaneçam alinhados após várias rodadas, dificultando análises estatísticas.

➜ Processo Detalhado

1. Estrutura do Estado no AES

O Estado é uma matriz 4×4 de bytes (16 bytes no total), organizada assim:
| B0 | B4 | B8 | B12 | | B1 | B5 | B9 | B13 | | B2 | B6 | B10 | B14 | | B3 | B7 | B11 | B15 |

Cada linha é tratada de forma diferente.

3. Resultado após ShiftRows

O Estado transformado terá a seguinte estrutura:
| B0 | B4 | B8 | B12 | (sem mudança) | B5 | B9 | B13 | B1 | (1 posição ←) | B10 | B14 | B2 | B6 | (2 posições ←) | B15 | B3 | B7 | B11 | (3 posições ←)

➜ Exemplo Prático

• Estado antes de ShiftRows:

  | D4 | E0 | B8 | 1E |
  | 66 | F2 | 5B | 3F |
  | BE | 59 | 01 | 45 |
  | B7 | 95 | 1A | 20 |

• Após ShiftRows:

  | D4 | E0 | B8 | 1E |  (Linha 0: sem mudança)
  | F2 | 5B | 3F | 66 |  (Linha 1: 1 posição ←)
  | 01 | 45 | BE | 59 |  (Linha 2: 2 posições ←)
  | 20 | B7 | 95 | 1A |  (Linha 3: 3 posições ←)

➜ Por que o ShiftRows é importante?

✔ Aumenta a difusão: Espalha os bytes para diferentes colunas, misturando os dados.
✔ Dificulta ataques: Impede que padrões locais sejam explorados em análises estatísticas.
✔ Trabalha com MixColumns: Combinado com MixColumns, garante que cada byte do Estado afete todos os outros após algumas rodadas.

➧ III. MixColumns – Combinação linear das colunas para aumentar a complexidade.

A etapa MixColumns (Mistura de Colunas) é uma das quatro transformações principais no processo de cifragem do AES (Advanced Encryption Standard). Ela atua em conjunto com SubBytes, ShiftRows e AddRoundKey para garantir confusão e difusão, aumentando a complexidade e a segurança do algoritmo contra ataques criptoanalíticos.

➜ Objetivo do MixColumns

• Difusão Avançada: Espalhar a influência de um único byte por toda a coluna, tornando a relação entre texto claro e cifrado mais complexa.
• Combinação Linear: Realizar operações matemáticas em cada coluna do Estado usando multiplicação matricial em um corpo finito (Galois Field GF(2⁸)).
• Resistência a Ataques: Tornar o AES resistente a técnicas como análise linear e diferencial.

➜ Processo Detalhado

1. Estrutura do Estado no AES

O Estado é uma matriz 4×4 de bytes (16 bytes), representada como:

| B0  | B4  | B8  | B12 |  
| B1  | B5  | B9  | B13 |  
| B2  | B6  | B10 | B14 |  
| B3  | B7  | B11 | B15 |  

Cada coluna (4 bytes) é processada independentemente.

[
\begin{bmatrix}
02 & 03 & 01 & 01 \
01 & 02 & 03 & 01 \
01 & 01 & 02 & 03 \
03 & 01 & 01 & 02 \
\end{bmatrix}
]
X
[
\begin{bmatrix}
B_0 \ B_1 \ B_2 \ B_3 \
\end{bmatrix}
]
=
[
\begin{bmatrix}
C_0 \ C_1 \ C_2 \ C_3 \
\end{bmatrix}
]

3. Cálculo de Cada Byte da Nova Coluna

Cada byte da nova coluna é calculado como:

C0​=(02⋅B0​)⊕(03⋅B1​)⊕(01⋅B2​)⊕(01⋅B3​)
C1=(01⋅B0)⊕(02⋅B1)⊕(03⋅B2)⊕(01⋅B3)
C1​=(01⋅B0​)⊕(02⋅B1​)⊕(03⋅B2​)⊕(01⋅B3​)
C2=(01⋅B0)⊕(01⋅B1)⊕(02⋅B2)⊕(03⋅B3)
C2​=(01⋅B0​)⊕(01⋅B1​)⊕(02⋅B2​)⊕(03⋅B3​)
C3=(03⋅B0)⊕(01⋅B1)⊕(01⋅B2)⊕(02⋅B3)
C3​=(03⋅B0​)⊕(01⋅B1​)⊕(01⋅B2​)⊕(02⋅B3​)

O que significa “·” (multiplicação em GF(2⁸))?

• Se o valor for 01: Mantém o byte original.
• Se for 02: Deslocamento de bits para a esquerda (<< 1), seguido de XOR com 0x1B se o bit mais significativo (MSB) for 1.
• Se for 03: Equivale a 02 · B ⊕ B (ou seja, (B << 1) ⊕ B).

Considere a primeira coluna do Estado após ShiftRows:
​[
D4\
66\
BE\
B7\
]​
​

C0​=(02⋅D4)⊕(03⋅66)⊕(01⋅BE)⊕(01⋅B7)

➜ Inverso do MixColumns (InvMixColumns)

Na descriptografia, usa-se uma matriz inversa:
[
\begin{bmatrix}
0E & 0B & 0D & 09 \
09 & 0E & 0B & 0D \
0D & 09 & 0E & 0B \
0B & 0D & 09 & 0E \
\end{bmatrix}
]

➜ Conclusão

O MixColumns é crucial para a segurança do AES porque:

• Mistura colunas de forma matemática, garantindo difusão avançada.
• Trabalha em GF(2⁸), evitando vulnerabilidades de aritmética convencional.
• Complementa outras etapas, como ShiftRows, para espalhar alterações por todo o bloco.

Essa etapa, junto com as demais transformações, faz do AES um padrão robusto e amplamente utilizado em criptografia moderna.

➧ IV. AddRoundKey – Aplicação de uma Subchave Derivada da Chave Principal

A etapa AddRoundKey (Adição da Chave de Rodada) é uma das quatro transformações principais no processo de cifragem do AES (Advanced Encryption Standard). Ela é responsável por introduzir a chave secreta no processo de encriptação, garantindo que o texto cifrado dependa tanto dos dados originais quanto da chave utilizada.

➜ Objetivo do AddRoundKey

• Inserir a chave no processo: Cada byte do Estado (matriz 4×4 de bytes) é combinado com uma subchave derivada da chave principal.
• Garantir segurança: Sem essa etapa, o AES seria vulnerável a ataques, pois as transformações anteriores (SubBytes, ShiftRows, MixColumns) são lineares ou conhecidas.
• Dependência da chave: A segurança do AES reside fortemente no segredo da chave, e o AddRoundKey assegura que cada rodada seja única.

➜ Processo Detalhado

1. Estrutura do Estado e da Subchave

• O Estado é uma matriz 4×4 de bytes (16 bytes):

  | B0  | B4  | B8  | B12 |
  | B1  | B5  | B9  | B13 |
  | B2  | B6  | B10 | B14 |
  | B3  | B7  | B11 | B15 |

• A subchave (gerada pelo Key Schedule) também é uma matriz 4×4:

  | K0  | K4  | K8  | K12 |
  | K1  | K5  | K9  | K13 |
  | K2  | K6  | K10 | K14 |
  | K3  | K7  | K11 | K15 |

Novo_Estado[i][j]=Estado[i][j]⊕Subchave[i][j]

  | 04 | 66 | 81 | E5 |
  | C0 | FA | 59 | 4A |
  | 2B | 31 | 08 | 88 |
  | F1 | 1A | 5B | 26 |

  | A0 | 88 | 23 | 2A |
  | FA | 54 | A3 | 6C |
  | FE | 2C | 39 | 76 |
  | 17 | B1 | 39 | 05 |

  | 04⊕A0 | 66⊕88 | 81⊕23 | E5⊕2A | → | A4 | EE | A2 | CF |
  | C0⊕FA | FA⊕54 | 59⊕A3 | 4A⊕6C | → | 3A | AE | FA | 26 |
  | 2B⊕FE | 31⊕2C | 08⊕39 | 88⊕76 | → | D5 | 1D | 31 | FE |
  | F1⊕17 | 1A⊕B1 | 5B⊕39 | 26⊕05 | → | E6 | AB | 62 | 23 |

3. Geração das Subchaves (Key Schedule)

As subchaves são derivadas da chave principal usando um algoritmo chamado Key Expansion:

1. Divisão da chave principal:
   • Para AES-128 (chave de 16 bytes), a chave é dividida em 4 palavras de 32 bits (w[0], w[1], w[2], w[3]).
2. Expansão para 10 rodadas (AES-128):
   • Cada nova palavra w[i] é calculada usando:
     • RotWord: Rotação de 1 byte para a esquerda.
     • SubWord: Aplicação da S-Box do AES em cada byte.
     • Rcon: Adição de uma constante de rodada (evita repetições).
   • Fórmula:
     • Para i múltiplo de 4:
       w[i] = w[i-4] ⊕ SubWord(RotWord(w[i-1])) ⊕ Rcon[i/4]
     • Caso contrário:
       w[i] = w[i-4] ⊕ w[i-1]
3. Subchaves por rodada:
   • Cada rodada usa 4 palavras consecutivas (w[4r], w[4r+1], w[4r+2], w[4r+3]).

Estado⊕Subchave⊕Subchave=Estado

➜ Por que o AddRoundKey é importante?

✔ Introduz a chave no processo: Sem isso, o AES seria apenas uma série de transformações reversíveis sem segurança.
✔ Resistência a ataques: Dificulta análises matemáticas, pois a chave é desconhecida pelo atacante.
✔ Simplicidade e eficiência: A operação XOR é muito rápida em hardware e software.

➧ Fluxo Completo do AES-192

1. Pré-processamento

• Expansão da Chave (Key Schedule):
• A chave principal de 192 bits (24 bytes) é expandida para gerar 13 subchaves (uma para cada rodada + a inicial).
• O processo de expansão segue o Key Schedule do AES, com adaptações para o tamanho da chave.

➧ Diferenças do AES-192 para AES-128/AES-256

➧ Exemplo Prático (Pseudocódigo)

def AES_192_Encrypt(plaintext, key):
    state = plaintext
    round_keys = KeyExpansion(key)  # Gera 13 subchaves (192 bits)

    # Rodada inicial (AddRoundKey apenas)
    state = AddRoundKey(state, round_keys[0])

    # 11 rodadas completas
    for round in range(1, 12):
        state = SubBytes(state)
        state = ShiftRows(state)
        state = MixColumns(state)
        state = AddRoundKey(state, round_keys[round])

    # Rodada final (sem MixColumns)
    state = SubBytes(state)
    state = ShiftRows(state)
    state = AddRoundKey(state, round_keys[12])

    return state

➜ Conclusão

A sequência mencionada nos textos acima, está correta para cada rodada do AES-192, mas é essencial lembrar que:

1. O número total de rodadas é 12 (não 10 como no AES-128).
2. A última rodada não tem MixColumns.
3. A expansão de chave (Key Schedule) é diferente devido ao tamanho da chave (192 bits).

Essas operações (SubBytes, ShiftRows, MixColumns, AddRoundKey) são repetidas em rodadas sucessivas até que o texto cifrado seja altamente difuso e confuso, garantindo a segurança do algoritmo.

▶ Por Que o AES-192 É Tão Seguro?

A segurança do AES-192 reside em vários fatores:

1. Tamanho da Chave (192 bits)

• Uma chave de 192 bits oferece 3,14 × 10^58 combinações possíveis, tornando inviável ataques de força bruta mesmo com supercomputadores.

2. Resistência a Ataques Conhecidos

• Até hoje, nenhum ataque prático quebrou o AES-192 em tempo viável.
• Ataques teóricos, como os de canal lateral, exigem acesso físico ao hardware.

3. Eficiência em Hardware e Software

• O AES é otimizado para desempenho em CPUs modernas e dispositivos embarcados.
• Sua implementação em aceleradores de hardware (como AES-NI da Intel) melhora ainda mais a velocidade.

▶ Aplicações do AES-192 no Mundo Real

O AES-192 é utilizado em diversos cenários onde a segurança é crítica:

🔒 Segurança Governamental e Militar

• Proteção de comunicações classificadas.
• Criptografia de documentos sigilosos.

🏦 Setor Financeiro

• Transações bancárias seguras.
• Armazenamento de dados de cartões de crédito (em conjunto com PCI DSS).

🌐 VPNs e Comunicações Seguras

• Protocolos como IPSec e SSL/TLS podem usar AES-192 para tunelamento seguro.

📁 Criptografia de Arquivos e Discos

• Ferramentas como VeraCrypt e BitLocker suportam AES-192 para proteção de dados.

▶ Comparação: AES-128 vs. AES-192 vs. AES-256

Enquanto o AES-256 oferece segurança adicional, o AES-192 é uma ótima escolha para cenários que exigem equilíbrio entre proteção e eficiência.

▶ Desafios e Considerações Sobre o AES-192

Apesar de sua robustez, o AES-192 não é imune a desafios:

🔓 Gestão de Chaves

• Se a chave for comprometida, toda a segurança é quebrada.
• Requer armazenamento seguro e rotacionamento periódico.

⚡ Impacto no Desempenho

• Mais rodadas significam maior consumo de CPU em comparação ao AES-128.

⚠️ Ataques Futuros (Teóricos)

• Avanços em computação quântica podem, no futuro, desafiar algoritmos simétricos.

▶ Conclusão: Vale a Pena Usar AES-192?

O AES-192 continua sendo uma das melhores opções para criptografia segura, especialmente em ambientes onde o AES-128 pode ser considerado insuficiente, mas o AES-256 é desnecessariamente pesado.

Principais Pontos Relembrados:

✔️ Algoritmo simétrico e altamente seguro.
✔️ Usado em governos, bancos e infraestruturas críticas.
✔️ 12 rodadas de criptografia garantem proteção robusta.
✔️ Equilibra segurança e desempenho melhor que o AES-256 em alguns casos.

Recomendações Finais:

• Se sua aplicação exige alta segurança, o AES-192 é uma excelente escolha.
• Para dados ultrassecretos, considere o AES-256.
• Sempre implemente boas práticas de gestão de chaves.

Em um mundo cada vez mais digital, dominar a criptografia avançada é essencial. O AES-192 continua sendo um pilar da segurança da informação, e entendê-lo é fundamental para qualquer profissional de T.I. ou cibersegurança.

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