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aes：Advanced Encryption Standard(高级加密标准)，是美国国家标准与技术研究所用于加密电子数据的规范，该算法汇聚了设计简单、密钥安装快、需要的内存空间少、在所有的平台上运行良好、支持并行处理并且可以抵抗所有已知攻击等优点。
aes是一个迭代的、对称密钥分组的密码，它可以使用128、192 和 256 位密钥，并且用 128 位（16字节）分组加密和解密数据。
相关如下
aes具有应用范围广
等待时间短、相对容易隐藏、吞吐量高等优点，在性能等各方面都优于WEP算法。利用此算法加密，WLAN的安全性将会获得大幅度提高。aes算法已经在802.11i标准中得到最终确认，成为取代WEP的新一代的加密算法。但是由于aes算法对硬件要求比较高，因此aes无法通过在原有设备上升级固件实现，必须重新设计芯片。
aes加密过程涉及到 4 种操作，分别是字节替代、行移位、列混淆和轮密钥加。
1.字节替换：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。
2.行移位：行移位的功能是实现一个4x4矩阵内部字节之间的置换。
4.轮密钥加：加密过程中，每轮的输入与轮密钥异或一次（当前分组和扩展密钥的一部分进行按位异或）；因为二进制数连续异或一个数结果是不变的，所以在解密时再异或上该轮的密钥即可恢复输入。
5.密钥扩展：其复杂性是确保算法安全性的重要部分。当分组长度和密钥长度都是128位时，aes的加密算法共迭代10轮，需要10个子密钥。aes的密钥扩展的目的是将输入的128位密钥扩展成11个128位的子密钥。aes的密钥扩展算法是以字为一个基本单位（一个字为4个字节），刚好是密钥矩阵的一列。因此4个字（128位）密钥需要扩展成11个子密钥，共44个字。
aes是分组密钥，算法输入128位数据，密钥长度也是128位。用Nr表示对一个数据分组加密的轮数（加密轮数与密钥长度的关系如表1所列）。每一轮都需要一个与输入分组具有相同长度的扩展密钥Expandedkey(i)的参与。由于外部输入的加密密钥K长度有限,所以在算法中要用一个密钥扩展程序(Keyexpansion)把外部密钥K扩展成更长的比特串,以生成各轮的加密和解密密钥。
1.1圈变化
aes每一个圈变换由以下三个层组成:
非线性层——进行Subbyte变换；
线行混合层——进行ShiftRow和MixColumn运算；
密钥加层——进行AddRoundKey运算。
① Subbyte变换是作用在状态中每个字节上的一种非线性字节转换,可以通过计算出来的S盒进行映射。
② ShiftRow是一个字节换位。它将状态中的行按照不同的偏移量进行循环移位，而这个偏移量也是根据Nb的不同而选择的[3]。
③ 在MixColumn变换中,把状态中的每一列看作GF(28)上的多项式a(x)与固定多项式c(x)相乘的结果。 b(x)=c(x)*a(x)的系数这样计算:
*运算不是普通的乘法运算,而是特殊的运算，即 b(x)=c(x)·a(x)(mod x4+1) 对于这个运算 b0=02。a0+03。a1+a2+a3 令xtime(a0)=02。a0
其中，符号“。”表示模一个八次不可约多项式的同余乘法[3]。
对于逆变化,其矩阵C要改变成相应的D,即b(x)=d(x)＊a(x)。
④ 密钥加层运算(addround)是将圈密钥状态中的对应字节按位“异或”。
⑤ 根据线性变化的性质[1],解密运算是加密变化的逆变化。
aes 全称 Advanced Encryption Standard（高级加密标准）。它的出现主要是为了取代 DES 加密算法的，因为 DES 算法的密钥长度是 56 位，因此算法的理论安全强度是 2^56。但二十世纪中后期正是计算机飞速发展的阶段，元器件制造工艺的进步使得计算机的处理能力越来越强，所以还是不能满足人们对安全性的要求。于是 1997 年 1 月 2 号，美国国家标准技术研究所宣布希望征集高级加密标准，用以取代 DES。aes 也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。
aes 密码与分组密码 Rijndael 基本上完全一致，Rijndael 分组大小和密钥大小都可以为 128 位、192 位和 256 位。然而 aes 只要求分组大小为 128 位，因此只有分组长度为 128 位的 Rijndael 才称为 aes 算法。本文只对分组大小 128 位，密钥长度也为 128 位的 Rijndael 算法进行分析。密钥长度为 192 位和 256 位的处理方式和 128 位的处理方式类似，只不过密钥长度每增加 64 位，算法的循环次数就增加 2 轮，128 位循环 10 轮、192 位循环 12 轮、256 位循环 14 轮。
给定一个 128 位的明文和一个 128 位的密钥，输出一个 128 位的密文。这个密文可以用相同的密钥解密。虽然 aes 一次只能加密 16 个字节，但我们只需要把明文划分成每 16 个字节一组的块，就可以实现任意长度明文的加密。如果明文长度不是 16 个字节的倍数，则需要填充，目前填充方式主要是 PKCS7 / PKCS5。
下来主要分析 16 个字节的加解密过程，下图是 aes 算法框架。
密钥生成流程
G 函数
关于轮常量的生成下文会介绍。
主要作用：一是增加密钥编排中的非线性；二是消除aes中的对称性。这两种属性都是抵抗某些分组密码攻击必要的。
接下来详细解释一下几个关键步骤。
明文矩阵和当前回次的子密钥矩阵进行异或运算。
字节代换层的主要功能是通过 S 盒完成一个字节到另外一个字节的映射。
依次遍历 4 * 4 的明文矩阵 P 中元素，元素高四位值为行号，低四位值为列号，然后在 S 盒中取出对应的值。
行位移操作最为简单，它是用来将输入数据作为一个 4 * 4 的字节矩阵进行处理的，然后将这个矩阵的字节进行位置上的置换。ShiftRows 子层属于 aes 手动的扩散层，目的是将单个位上的变换扩散到影响整个状态当，从而达到雪崩效应。它之所以称作行位移，是因为它只在 4 * 4 矩阵的行间进行操作，每行 4 字节的数据。在加密时，保持矩阵的第一行不变，第二行向左移动 1 个字节、第三行向左移动 2 个字节、第四行向左移动 3 个字节。
列混淆层是 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。行位移层和列混淆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。其实质是在有限域 GF(2^8) 上的多项式乘法运算，也称伽罗瓦域上的乘法。
伽罗瓦域
伽罗瓦域上的乘法在包括加/解密编码和存储编码中经常使用，aes 算法就使用了伽罗瓦域 GF(2^8) 中的运算。以 2^n 形式的伽罗瓦域来说，加减法都是异或运算，乘法相对较复杂一些，下面介绍 GF(2^n) 上有限域的乘法运算。
本原多项式： 域中不可约多项式，是不能够进行因子分解的多项式，本原多项式是一种特殊的不可约多项式。当一个域上的本原多项式确定了，这个域上的运算也就确定了，本原多项式一般通过查表可得，同一个域往往有多个本原多项式。通过将域中的元素化为多项式的形式，可以将域上的乘法运算转化为普通的多项式乘法模以本原多项式的计算。比如 g(x) = x^3+x+1 是 GF(2^3) 上的本原多项式，那么 GF(2^3) 域上的元素 3*7 可以转化为多项式乘法：
乘二运算： 无论是普通计算还是伽罗瓦域上运算，乘二计算是一种非常特殊的运算。普通计算在计算机上通过向高位的移位计算即可实现，伽罗瓦域上乘二也不复杂，一次移位和一次异或即可。从多项式的角度来看，伽罗瓦域上乘二对应的是一个多项式乘以 x，如果这个多项式最高指数没有超过本原多项式最高指数，那么相当于一次普通计算的乘二计算，如果结果最高指数等于本原多项式最高指数，那么需要将除去本原多项式最高项的其他项和结果进行异或。
比如：GF(2^8)（g(x) = x^8 + x^4 + x^3 + x^2 + 1）上 15*15 = 85 计算过程。
15 写成生成元指数和异或的形式 2^3 + 2^2 + 2^1 + 1，那么：
乘二运算计算过程：
列混淆 ：就是把两个矩阵的相乘，里面的运算，加法对应异或运算，乘法对应伽罗瓦域 GF(2^8) 上的乘法（本原多项式为：x^8 + x^4 + x^3 + x^1 + 1）。
Galois 函数为伽罗瓦域上的乘法。
解码过程和 DES 解码类似，也是一个逆过程。基本的数学原理也是：一个数进行两次异或运算就能恢复，S ^ e ^ e = S。
密钥加法层
通过异或的特性，再次异或就能恢复原数。
逆Shift Rows层
恢复 Shift Rows层 的移动。
逆Mix Column层
通过乘上正矩阵的逆矩阵进行矩阵恢复。
一个矩阵先乘上一个正矩阵，然后再乘上他的逆矩阵，相当于没有操作。
逆字节代换层
通过再次代换恢复字节代换层的代换操作。
比如：0x00 字节的置换过程
轮常量生成规则如下：
算法原理和 aes128 一样，只是每次加解密的数据和密钥大小为 192 位和 256 位。加解密过程几乎是一样的，只是循环轮数增加，所以子密钥个数也要增加，最后轮常量 RC 长度增加。
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本文标签：aes加密算法原理
