很高兴和大家一起分享aes加密算法的基本原理的知识，希望对各位有所帮助。
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。
加密算法分为单向加密和双向加密。
单向加密 包括 MD5 ， SHA 等摘要算法。单向加密算法是不可逆的，也就是无法将加密后的数据恢复成原始数据，除非采取碰撞攻击和穷举的方式。像是银行账户密码的存储，一般采用的就是单向加密的方式。
双向加密 是可逆的，存在密文的密钥，持有密文的一方可以根据密钥解密得到原始明文，一般用于发送方和接收方都能通过密钥获取明文的情况。双向加密包括对称加密和非对称加密。对称加密包括 DES 加密， aes 加密等，非对称加密包括 RSA 加密， ECC 加密。
aes 算法全称 Advanced Encryption Standard ,是 DES 算法的替代者，也是当今最流行的对称加密算法之一。
要想学习aes算法，首先要弄清楚三个基本的概念：密钥、填充、模式。
密钥是 aes 算法实现加密和解密的根本。对称加密算法之所以对称，是因为这类算法对明文的加密和解密需要使用同一个密钥。
aes支持三种长度的密钥：
128位，192位，256位
平时大家所说的aes128，aes192，aes256，实际上就是指的aes算法对不同长度密钥的使用。从安全性来看，aes256安全性最高。从性能来看，aes128性能最高。本质原因是它们的加密处理轮数不同。
要想了解填充的概念，我们先要了解aes的分组加密特性。aes算法在对明文加密的时候，并不是把整个明文一股脑加密成一整段密文，而是把明文拆分成一个个独立的明文块，每一个明文块长度128bit。
这些明文块经过aes加密器的复杂处理，生成一个个独立的密文块，这些密文块拼接在一起，就是最终的aes加密结果。
但是这里涉及到一个问题：
假如一段明文长度是192bit，如果按每128bit一个明文块来拆分的话，第二个明文块只有64bit，不足128bit。这时候怎么办呢？就需要对明文块进行填充（Padding）。aes在不同的语言实现中有许多不同的填充算法，我们只举出集中典型的填充来介绍一下。
不做任何填充，但是要求明文必须是16字节的整数倍。
如果明文块少于16个字节（128bit），在明文块末尾补足相应数量的字符，且每个字节的值等于缺少的字符数。
比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节，则补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,6,6,6,6,6,6}
如果明文块少于16个字节（128bit），在明文块末尾补足相应数量的字节，最后一个字符值等于缺少的字符数，其他字符填充随机数。
比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节，则可能补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,5,c,3,G,$,6}
需要注意的是，如果在aes加密的时候使用了某一种填充方式，解密的时候也必须采用同样的填充方式。
aes的工作模式，体现在把明文块加密成密文块的处理过程中。aes加密算法提供了五种不同的工作模式：
ECB、CBC、CTR、CFB、OFB
模式之间的主题思想是近似的，在处理细节上有一些差别。我们这一期只介绍各个模式的基本定义。
电码本模式 Electronic Codebook Book
密码分组链接模式 CipherBlock Chaining
计算器模式 Counter
密码反馈模式 CipherFeedBack
输出反馈模式 OutputFeedBack
如果在aes加密的时候使用了某一种工作模式，解密的时候也必须采用同样的工作模式。
aes加密主要包括两个步骤： 密钥扩展 和 明文加密 。
密钥扩展过程说明（密钥为16字节）：
函数g的流程说明：
轮常量（Rcon）是一个字，最右边三个字节总为0。因此字与Rcon相异或，其结果只是与该字最左的那个字节相异或。每轮的轮常量不同，定位为Rcon[j] = (RC[j], 0, 0, 0)。（RC是一维数组）
RC生成函数：RC[1] = 1, RC[j] = 2 * RC[j – 1]。
因为16字节密钥的只进行10轮的扩展，所以最后生成的RC[j]的值按16进制表示为：
十轮的密钥扩展后，就能生成44个字大小的扩展密钥。扩展后的密钥将用于aes对明文的加密过程。
S盒是16×16个字节组成的矩阵，行列的索引值分别从0开始，到十六进制的F结束，每个字节的范围为（00-FF）。
进行字节代替的时候，把状态中的每个字节分为高4位和低4位。高4位作为行值，低4位作为列值，以这些行列值作为索引从S盒的对应位置取出元素作为输出，如下图所示：
S盒的构造方式如下：
（1） 按字节值得升序逐行初始化S盒。在行y列x的字节值是{yx}。
（2） 把S盒中的每个字节映射为它在有限域GF中的逆;{00}映射为它自身{00}。
（3） 把S盒中的每个字节的8个构成位记为(b7, b6, b5, b4, b3, b2, b1)。对S盒的每个字节的每个位做如下的变换：
ci指的是值为{63}的字节c的第i位。
解密过程逆字节代替使用的是逆S盒，构造方式为
字节d={05}。
逆向行移位将状态中后三行执行相反方向的移位操作，如第二行向右循环移动一个字节，其他行类似。
要注意，图示的矩阵的乘法和加法都是定义在GF(2^8)上的。
逆向列混淆原理如下：
轮密钥加后的分组再进行一次轮密钥加就能恢复原值.所以，只要经过密钥扩展和明文加密，就能将明文加密成密文，进行解密的时候，只需要进行逆向变换即可。
图[aes加密算法的流程]中还需要注意，明文输入到输入状态后，需要进行一轮的轮密钥加，对输入状态进行初始化。 前9轮的加密过程，都需要进行字节替代、行移位、列混淆和轮密钥加，但是第10轮则不再需要进行列混淆。
进行解密的时候，需要进行逆向字节替代，逆向行移位、逆向列混淆和轮密钥加。
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，其矩阵行数可视情况增加）加密时，
各轮aes加密循环（除最后一轮外）均包含4个步骤：
矩阵中的各字节通过一个8位的S-box进行转换。这个步骤提供了加密法非线性的变换能力。S-box与GF（28）上的乘法反元素有关，已知具有良好的非线性特性。为了避免简单代数性质的攻击，S-box结合了乘法反元素及一个可逆的仿射变换矩阵建构而成。此外在建构S-box时，刻意避开了固定点与反固定点，即以S-box替换字节的结果会相当于错排的结果。aes算法中的S盒如图2.2所示
例如一个字节为0x19，经过S盒变换查找n(1,9) = 0xd4,所以就替换为0xd4。
ShiftRows描述矩阵的行操作。在此步骤中，每一行都向左循环位移某偏移量。在aes中（区块大小128位），第一行维持不变，第二行里的每个字节都向左循环移动一格。同理，第三行及第四行向左循环位移的偏移量就分别是2和3。经过ShiftRows之后，矩阵中每一竖列，都是由输入矩阵中的每个不同列中的元素组成。
在MixColumns步骤，每一列的四个字节通过线性变换互相结合。每一列的四个元素分别当作 的系数，合并即为GF（28）中的一个多项式，接着将此多项式和一个固定的多项式在modulo 下相乘。此步骤亦可视为Rijndael有限域之下的矩阵乘法。MixColumns函数接受4个字节的输入，输出4个字节，每一个输入的字节都会对输出的四个字节造成影响。因此ShiftRows和MixColumns两步骤为这个密码系统提供了扩散性。
aes算法利用外部输入密钥K(密钥串的字数为Nk),通过密钥的扩展程序得到共计4(Nr+1)字的扩展密钥。它涉及如下三个模块:
(1)位置变换(rotword)——把一个4字节的序列[A,B,C,D]变化成[B,C,D,A]；
(2)S盒变换(subword)——对一个4字节进行S盒代替；
(3)变换Rcon[i]——Rcon[i]表示32位比特字[xi-1,00,00,00]。这里的x是（02），如 Rcon[1]=[01000000]；Rcon[2]=[02000000]；Rcon[3]=[04000000]……
扩展密钥的生成：扩展密钥的前Nk个字就是外部密钥K；以后的字W[[i]]等于它前一个字W[[i-1]]与前第Nk个字W[[i-Nk]]的“异或”,即W[[i]]=W[[i-1]]W[[i- Nk]]。但是若i为Nk的倍数,则W[i]=W[i-Nk]Subword(Rotword(W[[i-1]]))Rcon[i/Nk]。
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。
随着社会的发展，产品的更新速度也是越来越快，算法是方案的核心，保护开发者和消费者的权益刻不容缓，那么加密芯片在其中就扮演了重要的角色，如何选择加密芯片呢？
1.市面上加密芯片种类繁多,算法多种,加密芯片强度参差不齐,加密性能与算法、秘钥密切相关。常见的加密算法有对称算法,非对称算法,国密算法,大部分都是基于I2C、SPI或1-wire协议进行通信。加密芯片还是需要项目实际需求选择,比如对称加密算法的特点是计算量小、加密速度快、加密效率高等。
2.因为单片机软加密性能较弱且非常容易被复制,所以有了加密芯片的产生,大大增加了破解难度和生产成本。目前加密芯片广泛应用于车载电子、消费电子、美容医疗、工业控制、AI智能等行业。
3.韩国KEROS加密芯片专注加密领域十多年,高安全性、低成本,在加密保护领域受到了众多客户的高度赞扬及认可。KEROS采用先进的内置aes256安全引擎和加密功能,通过真动态数据交互并为系统中敏感信息的存储提供了安全的场所,有了它的保护电路,即使受到攻击,这些信息也可以保持安全。其封装SOP8,SOT23-6,TDFN-6集成I2C与1-wire协议满足不同应用需求。CK02AT、CK22AT、CK02AP、CK22AP支持1.8V-3.6V,256bit位秘钥长度,5bytes SN序列号,支持定制化免烧录,加密行业首选。关于aes加密算法的基本原理的介绍到此就结束了，感谢大家耐心阅读。
本文标签：aes加密算法的基本原理
