AES加密算法｜密码学｜网络空间安全

算法简介

AES的全称是Advanced Encryption Standard，意思是高级加密标准。

他的出现是为了取代DES加密算法的，DES算法的密钥长度是56bit，所以算法的理论安全强度是2的56次方，现已不能满足人类对安全性的需求，所以AES诞生了

AES和DES都是分组密码，但是组的大小不一样，DES是64bit一组，AES是128bit一组，密钥长度DES是56位。但AES的密钥长度可以是128、192、256，密钥长度每多64位只会增加两次轮函数的运用，128长度是10轮，192是12轮，256是14轮。

DES是基于Feistel的机构进行加密，每一轮加密的是64位的一半，也就是32位。

而AES不具有Feistel结构，每次迭代中就加密了所有的128位，所以一般情况下，AES的轮数会比DES少

需要理解的是AES算法是面向字节的加密算法，1字节有8位，也就是8位二进制，AES这里写成16进制

算法流程图

结构比DES看起来更简单明了一些

只有密钥生成和轮函数两部分，这里不介绍密钥生成函数，只介绍轮函数

密钥加法层

密钥K先生成K₀，和明文按位异或

轮函数

字节代换

如果不考虑S盒的生成过程，那字节代换就是一个查表的过程

对于输入的128位，分成16个8位的二进制串，每个二进制串分成前后两个4位2进制，转换成对应的十六进制，作为查表用的行和列，找到表中对应的数就行

但是S盒是怎么产生的呢？

其实是经过两部分操作后得到的，首先把一个字节的数换算成10进制，就会得到0-255的一个十进制数，计算一下他在模256下的逆元，由于0没有逆元，这里规定为0是0的逆元。然后将刚刚的逆元以2进制的方法写出来，进行以下的仿射变换（本质就是一个矩阵乘法）

得到的就是一个字节对应的值，0到255共256种不同的字节，S盒就是打表提前计算出来所有的数的值，便于直接利用，节约时间

行位移

行位移操作很简单，就是将输入的数据竖着写为一个个规定大小的矩阵，进行位置上的变化

比如 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16记做：

1	5	9	13
2	6	10	14
3	7	11	15
4	8	12	16

规定的大小要看你的密钥长度是128还是192还是256，这三个分别对应4 * 4、4 * 6、4 * 8的矩阵

再根据位移表来位移就行，这三个对应的位移表不同，这里就只介绍128的

行	C₀	C₁	C₂	C₃
位移大小	0	1	2	3

上述表经过左移后得到的如下：

1	5	9	13
6	10	14	2
11	15	3	7
16	4	8	12

列混合

列混淆子层是AES算法中最为复杂的部分，属于扩散层，列混淆操作是AES算法中主要的扩散元素，它混淆了输入矩阵的每一列，使输入的每个字节都会影响到4个输出字节。行位移子层和列混淆子层的组合使得经过三轮处理以后，矩阵的每个字节都依赖于16个明文字节成可能。其中包含了矩阵乘法、伽罗瓦域内加法和乘法的相关知识。

主要是在扩展域GF(2⁸)的矩阵加法与乘法，这里暂不仔细介绍

密钥加

就是异或上此轮的密钥K_i