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密码学学习记录 12 / 15
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维基百科
高级加密标准（英语：Advanced Encryption Standard，缩写：AES），又称Rijndael加密法（荷兰语发音： [ˈrɛindaːl]，音似英文的“Rhine doll”），是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。经过五年的甄选流程，高级加密标准由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。现在，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。
该算法为比利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen所设计，结合两位作者的名字，以Rijndael为名投稿高级加密标准的甄选流程。
参考资料
Tips：本文 aes 算法原理图来自看雪论坛帖子
AES 算法描述
AES 有多种实现方式。1、标准法，2、查表法，3、白盒 AES。本文主要分享标准法的实现
AES 没有使用经典的 Feistel 结构，而是分组算法。
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。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 | 加密轮数 |
|---|---|---|
| 128 | 4 | 10 |
| 192 | 6 | 12 |
| 256 | 8 | 14 |
本文主要分享 AES-128，ECB
AES 加密算法
AES 加密过程是在一个 4×4 的字节矩阵上运作，这个矩阵又称为“体（state）”，其初值就是一个明文区块（矩阵中一个元素大小就是明文区块中的一个 Byte）。（Rijndael 加密法因支持更大的区块，其矩阵的“列数（Row number）”可视情况增加）加密时，各轮AES加密循环（除最后一轮外）均包含4个步骤：
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1、AddRoundKey 矩阵中的每一个字节都与该次回合密钥（round key）做XOR运算；每个子密钥由密钥生成方案产生。
-
2、SubBytes 透过一个非线性的替换函数，用查找表的方式把每个字节替换成对应的字节。
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3、ShiftRows 将矩阵中的每个横列进行循环式移位。
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4、MixColumns 为了充分混合矩阵中各个直行的操作。这个步骤使用线性转换来混合每内联的四个字节。最后一个加密循环中省略MixColumns步骤，而以另一个AddRoundKey取代。
加密算法整体流程
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1、密钥扩展
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2、明文按照 16 个字节进行分组，4x4 矩阵
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3、密钥加法层（取密钥的 0-3 进行计算）
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4、循环 1...加密轮数
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5、每次循环都需要操作，字节替换（S盒替换），行移位，列混淆，密钥加法
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6、循环结束在操作，字节替换（S盒替换），行移位，密钥加法
密钥扩展
前面说到过，密钥长度不同，加密轮数也就不同。每轮加密都是 4x4 矩阵操作。例如输入的密钥为 16 个字节（4x4，四行四列），那就需要扩展到 4 x (1 + 10)，44行。如果是 32 字节，那就需要扩展 4 x (14 + 1)，60行。具体流程如下图
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1、首先将 16 字节的密钥，依次放到 w[0..3] 里
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2、剩下的 40 个，再按照一定的迭代计算规则依次存储
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3、迭代计算规则。循环 4...44 次
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4、判断 i 是否是四的倍数
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5、否：w[i] = w[i - 4] ^ w[i - 1]
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6、是：w[i] = w[i - 4] ^ G(w[i - 1])
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7、G函数：循环左移一位，使用 S盒 字节替换，轮常量 Rcon 异或
轮密钥加（AddRoundKey）
即，输入跟密钥进行异或，如下图
字节替换（SubBytes）
即，输入明文矩阵跟 S盒进行置换，高位为行，低位为列。如下图：
行移位（ShiftRows）
如下图：
列混淆（MixColumns）
这是 aes 算法中，最复杂的一步。对 4x4 矩阵中的每个元素，都进行，有限域 GF(256) 运算
AES 解密算法
解密算法整体流程
就是加密算法，反向操作。tips: 此图是从下往上看
轮密钥加（AddRoundKey）
跟加密逻辑相同
逆字节替换（INV-SubBytes）
即，输入明文矩阵跟 逆S盒进行置换，高位为行，低位为列。如下图：
逆行移位（INV-ShiftRows）
如下图：
逆列混淆（INV-MixColumns）
跟加密逻辑相同，不过运算矩阵不同。参考图示
全部代码
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