AES加密算法流程介绍

01

AES算法简介

美国政府在1997年公开征集高级加密标准（Advanced Encryption Standard: AES）替代DES加密算法。AES得到了全世界很多密码工作者的响应，先后有很多人提交了自己设计的算法。最终有5个候选算法进入最后一轮：Rijndael，Serpent，Twofish，RC6和MARS。最终经过安全性分析、软硬件性能评估等严格的步骤，Rijndael算法获胜。

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02

AES的基本结构

AES为分组密码，把明文分成一组一组的，每组长度相等，每次加密一组数据，直到加密完整个明文。在AES标准规范中，分组长度只能是128位，也就是说，每个分组为16个字节（每个字节8位）。密钥的长度可以使用128位、192位或256位。密钥的长度不同，推荐加密轮数也不同，如下表所示：

AES

密钥长度（32位比特字)

分组长度(32位比特字)

加密轮数

AES-128

4

4

10

AES-192

6

4

12

AES-256

8

4

14

接下来，我们以AES-128为例，介绍AES算法的流程。

03

AES算法流程

AES加密算法涉及4种操作：字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。

下图给出了AES加解密的流程，从图中可以看出：

1）解密算法的每一步分别对应加密算法的逆操作

2）加解密所有操作的顺序正好是相反，保证了算法的正确性。

另外，加解密中每轮的密钥分别由种子密钥经过密钥扩展算法得到。算法中16字节的明文、密文和轮子密钥都以一个4x4的矩阵表示。

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3.1 字节替代

字节代替的主要功能是通过S盒完成一个字节到另外一个字节的映射。AES定义了一个S盒和一个逆S盒，用于提供密码算法的混淆性。

S盒：

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逆S盒：

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S和S-1分别为16x16的矩阵，完成一个8比特输入到8比特输出的映射，输入的高4-bit对应的值作为行标，低4-bit对应的值作为列标。假设输入字节的值为a=a7a6a5a4a3a2a1a0，则输出值为S[a7a6a5a4][a3a2a1a0]，S-1的变换也同理。

例如：字节00000000B替换后的值为（S[0][0]=）63H，再通过S-1即可得到替换前的值，（S-1 [6][3]=）00H。

3.2 行移位

行移位是一个4x4的矩阵内部字节之间的置换，用于提供算法的扩散性。

1) 正向行移位

正向行移位用于加密，其原理图如下。其中：第一行保持不变，第二行循环左移8比特，第三行循环左移16比特，第四行循环左移24比特。

假设矩阵的名字为state，用公式表示如下：state’[i][j] = state[i][(j+i)%4];其中i、j属于[0,3]。

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2) 逆向行移位

逆向行移位即是相反的操作，即：第一行保持不变，第二行循环右移8比特，第三行循环右移16比特，第四行循环右移24比特。

用公式表示如下：state’[i][j] = state[i][(4+j-i)%4];其中i、j属于[0,3]。

3.3 列混淆

1) 正向列混淆

正向列混淆的原理图如下：

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根据矩阵的乘法可知，在列混淆的过程中，每个字节对应的值只与该列的4个值有关系。

下面举一个例子，假设某一列的值如下图，运算过程如下：

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在计算02与C9的乘积时，由于C9对应最左边的比特为1，因此需要将C9左移一位后的值与(0001 1011)求异或。同理可以求出另外几个值。

2) 逆向列混淆

逆向列混淆的原理图如下：

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由于：

说明两个矩阵互逆，经过一次逆向列混淆后即可恢复原文。

3.4 轮密钥加

这个操作相对简单，其依据的原理是“任何数和自身的异或结果为0。加密过程中，每轮的输入与轮子密钥异或一次；因此，解密时再异或上该轮的轮子密钥即可恢复。

3.5 密钥扩展算法

密钥扩展的原理图如下：

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密钥扩展过程说明：

1) 将种子密钥按图(a)的格式排列，其中k0、k1、……、k15依次表示种子密钥的一个字节；排列后用4个32比特的字表示，分别记为w[0]、w[1]、w[2]、w[3]；

2) 按照如下方式，依次求解w[j]，其中j是整数并且属于[4,43]；

3) 若j%4=0,则w[j]=w[j-4]⊕g(w[j-1]),否则w[j]=w[j-4]⊕w[j-1]；

函数g的流程说明：

1) 将w循环左移8比特；

2) 分别对每个字节做S盒置换；

3) 与32比特的常量（RC[j/4],0,0,0）进行异或，RC是一个一维数组，其值如下。（RC的值只需要有10个，而此处用了11个，实际上RC[0]在运算中没有用到，增加RC[0]是为了便于程序中用数组表示。由于j的最小取值是4，j/4的最小取值则是1，因此不会产生错误。）

RC = {0x00, 0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1B, 0x36}

04

小结

密码算法要求是可逆的，这样解密算法才能正确的恢复明文。拿AES来说，在密钥固定的情况下，明文和密文在整个输入空间是一一对应的。因此算法的各个部件也都是可逆的，再将各个部件的操作顺序设计成可逆的，密文就能正确的解密了。