从零到壹学习密码学第八讲：AES加密算法原理

考过高富帅，战胜官二代

高考加油

作者：黎跃春

孔壹学院创始人兼CEO

黎跃春：孔壹学院创始人兼CEO，国内区块链布道先行者，通信和信息技术培养工程区块链高级授课专家。如果您有任何关于区块链的问题，可以加入区块链技术交流QQ群729666975，我们会为您一一解答。

一年一度的高考来临了，孔壹学院祝全体奋战在高考第一线的同学们都能考出理想的成绩，加油！

高考加油!

从零到壹学习密码学为一个系列，一共20讲，包括初识密码学、Hash 函数、对称加密算法、数字签名、椭圆曲线加解密、公钥基础设施( PKI )、零知识证明、随机数等，为大家详尽的介绍密码学的学习过程。今天我们将为大家介绍第七讲：DES、3DES 加密算法的调用。话不多说，马上开启我们的密码学学习之旅。

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AES是作为DES的替代标准出现的，全称Advanced Encryption Standard，即：高级加密标准。AES加密算法，经历了公开的选拔，最终2000年，由比利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen设计的Rijndael算法被选中，成为了AES标准。

AES明文分组长度为128位，即16个字节，密钥长度可以为16个字节、24个字节、或32个字节，即128位密钥、192位密钥、或256位密钥。

总体结构

AES中没有使用Feistel网络，其结构称为SPN结构。和DES相同，AES也由多个轮组成，其中每个轮分为SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey 4个步骤，即：字节代替、行移位、列混淆和轮密钥加。根据密钥长度不同，所需轮数也不同，128位、192位、256位密钥，分别需要10轮、12轮和14轮。第1轮之前有一次AddRoundKey，即轮密钥加，可以视为第0轮；之后1至N-1轮，执行SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey；最后一轮仅包括：SubBytes、MixColumns、AddRoundKey。AES总体结构示意图：

加密整体流程

加密的代码实现：

密钥扩展

Nk表示初始密钥的字数，一个字为4个字节，以16字节初始密钥为例，初始密钥共计4个字。AES加密过程共计需Nk+7个子密钥，即4(Nk + 7)个字，以16字节初始密钥为例，共计需11个子密钥，44个字。其中前Nk个字作为种子密钥，由初始密钥填充。以16字节初始密钥为例，前4个字，由初始密钥填充。之后的每个字，W[i]等于前边一个字W[i-1]与Nk个字之前的字W[i-Nk]异或。但是对于Nk整数倍位置的字，在异或之前先对W[i-1]做如下变换：字节循环移位、S盒变换，并异或轮常数。

密钥扩展示意图

字节代替SubBytes

AES定义了一个S盒，它由16x16个字节组成的矩阵，包含了8位所能表示的256个数的一个置换表。AES的分组长度128位，即16字节，每个字节高4位作为行值、低4位作为列值，从S盒中查找指定行、列的值作为输出。AES输入的16个字节，每个字节按上述方式映射为新的字节，即字节代替。

行移位ShiftRows

AES输入的16个字节组成4x4字节矩阵，行移位即：第1行保持不变，第2行循环左移1个字节，第3行循环左移2个字节，第4行循环左移3个字节。逆向行移位为后3行做行移位的反向操作，如第2行循环右移1个字节，其他行类似处理。

行移位示意图如下

列混淆MixColumns

列混淆和逆向列混淆，实际上是使用乘法矩阵，但是其加法和乘法均为定义在有限域上的加法和乘法。

如下为正向列混淆：

如下为逆向列混淆：

轮密钥加AddRoundKey

轮密钥加，即128位输入与128位轮密钥做异或运算。

动画演示AES