AES算法
AES算法
AES简介
高级加密标准(AES,Advanced Encryption Standard)为最常见的对称加密算法。
AES的基本结构
AES为分组密码，分组密码也就是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（32bit） | 分组长度（32bit） | 加密轮数 |
|---|---|---|---|
| AES-128 | 4 | 4 | 10 |
| AES-192 | 6 | 4 | 12 |
| AES-256 | 8 | 4 | 14 |
AES的处理单位是字节，128位的输入明文分组P和输入密钥K都被分成16个字节，分别记为P = P0 P1 … P15 和 K = K0 K1 … K15。
字节排列顺序由上到下由左到右，假设要加密的为abcdefghljklmnop
明文顺序为
| a | e | i | m |
|---|---|---|---|
| b | f | j | n |
| c | g | k | o |
| d | h | l | p |
状态矩阵排列和这个一样
0x表示16进制不必多说。
类似地，128位密钥也是用字节为单位的矩阵表示，矩阵的每一列被称为1个32位比特字。通过密钥编排函数该密钥矩阵被扩展成一个44个字组成的序列W[0],W[1],
…
,W[43],该序列的前4个元素W[0],W[1],W[2],W[3]是原始密钥，用于加密运算中的初始密钥加（下面介绍）;后面40个字分为10组，每组4个字（128比特）分别用于10轮加密运算中的轮密钥加，如下图所示：
上图中，设K = “abcdefghijklmnop”，则K0 = a, K15 = p, W[0] = K0 K1 K2 K3 = “abcd”。
加密解密过程流程图
下面对四个操作进行讲解
一、字节代换
AES的字节代换其实就是一个简单的查表操作。AES定义了一个S盒和一个逆S盒。 AES的S盒：
行/列 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 0 0x63 0x7c 0x77 0x7b 0xf2 0x6b 0x6f 0xc5 0x30 0x01 0x67 0x2b 0xfe 0xd7 0xab 0x76 1 0xca 0x82 0xc9 0x7d 0xfa 0x59 0x47 0xf0 0xad 0xd4 0xa2 0xaf 0x9c 0xa4 0x72 0xc0 2 0xb7 0xfd 0x93 0x26 0x36 0x3f 0xf7 0xcc 0x34 0xa5 0xe5 0xf1 0x71 0xd8 0x31 0x15 3 0x04 0xc7 0x23 0xc3 0x18 0x96 0x05 0x9a 0x07 0x12 0x80 0xe2 0xeb 0x27 0xb2 0x75 4 0x09 0x83 0x2c 0x1a 0x1b 0x6e 0x5a 0xa0 0x52 0x3b 0xd6 0xb3 0x29 0xe3 0x2f 0x84 5 0x53 0xd1 0x00 0xed 0x20 0xfc 0xb1 0x5b 0x6a 0xcb 0xbe 0x39 0x4a 0x4c 0x58 0xcf 6 0xd0 0xef 0xaa 0xfb 0x43 0x4d 0x33 0x85 0x45 0xf9 0x02 0x7f 0x50 0x3c 0x9f 0xa8 7 0x51 0xa3 0x40 0x8f 0x92 0x9d 0x38 0xf5 0xbc 0xb6 0xda 0x21 0x10 0xff 0xf3 0xd2 8 0xcd 0x0c 0x13 0xec 0x5f 0x97 0x44 0x17 0xc4 0xa7 0x7e 0x3d 0x64 0x5d 0x19 0x73 9 0x60 0x81 0x4f 0xdc 0x22 0x2a 0x90 0x88 0x46 0xee 0xb8 0x14 0xde 0x5e 0x0b 0xdb A 0xe0 0x32 0x3a 0x0a 0x49 0x06 0x24 0x5c 0xc2 0xd3 0xac 0x62 0x91 0x95 0xe4 0x79 B 0xe7 0xc8 0x37 0x6d 0x8d 0xd5 0x4e 0xa9 0x6c 0x56 0xf4 0xea 0x65 0x7a 0xae 0x08 C 0xba 0x78 0x25 0x2e 0x1c 0xa6 0xb4 0xc6 0xe8 0xdd 0x74 0x1f 0x4b 0xbd 0x8b 0x8a D 0x70 0x3e 0xb5 0x66 0x48 0x03 0xf6 0x0e 0x61 0x35 0x57 0xb9 0x86 0xc1 0x1d 0x9e E 0xe1 0xf8 0x98 0x11 0x69 0xd9 0x8e 0x94 0x9b 0x1e 0x87 0xe9 0xce 0x55 0x28 0xdf F 0x8c 0xa1 0x89 0x0d 0xbf 0xe6 0x42 0x68 0x41 0x99 0x2d 0x0f 0xb0 0x54 0xbb 0x16
状态矩阵中的元素按照下面的方式映射为一个新的字节：把该字节的高4位作为行值，低4位作为列值，取出S盒或者逆S盒中对应的行的元素作为输出。例如，加密时，输出的字节S1为0x12,则查S盒的第0x01行和0x02列，得到值0xc9,然后替换S1原有的0x12为0xc9。
一个个查表一个个对应来修改
字节代换逆操作
在逆s盒查找
行/列 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 0 0x52 0x09 0x6a 0xd5 0x30 0x36 0xa5 0x38 0xbf 0x40 0xa3 0x9e 0x81 0xf3 0xd7 0xfb 1 0x7c 0xe3 0x39 0x82 0x9b 0x2f 0xff 0x87 0x34 0x8e 0x43 0x44 0xc4 0xde 0xe9 0xcb 2 0x54 0x7b 0x94 0x32 0xa6 0xc2 0x23 0x3d 0xee 0x4c 0x95 0x0b 0x42 0xfa 0xc3 0x4e 3 0x08 0x2e 0xa1 0x66 0x28 0xd9 0x24 0xb2 0x76 0x5b 0xa2 0x49 0x6d 0x8b 0xd1 0x25 4 0x72 0xf8 0xf6 0x64 0x86 0x68 0x98 0x16 0xd4 0xa4 0x5c 0xcc 0x5d 0x65 0xb6 0x92 5 0x6c 0x70 0x48 0x50 0xfd 0xed 0xb9 0xda 0x5e 0x15 0x46 0x57 0xa7 0x8d 0x9d 0x84 6 0x90 0xd8 0xab 0x00 0x8c 0xbc 0xd3 0x0a 0xf7 0xe4 0x58 0x05 0xb8 0xb3 0x45 0x06 7 0xd0 0x2c 0x1e 0x8f 0xca 0x3f 0x0f 0x02 0xc1 0xaf 0xbd 0x03 0x01 0x13 0x8a 0x6b 8 0x3a 0x91 0x11 0x41 0x4f 0x67 0xdc 0xea 0x97 0xf2 0xcf 0xce 0xf0 0xb4 0xe6 0x73 9 0x96 0xac 0x74 0x22 0xe7 0xad 0x35 0x85 0xe2 0xf9 0x37 0xe8 0x1c 0x75 0xdf 0x6e A 0x47 0xf1 0x1a 0x71 0x1d 0x29 0xc5 0x89 0x6f 0xb7 0x62 0x0e 0xaa 0x18 0xbe 0x1b B 0xfc 0x56 0x3e 0x4b 0xc6 0xd2 0x79 0x20 0x9a 0xdb 0xc0 0xfe 0x78 0xcd 0x5a 0xf4 C 0x1f 0xdd 0xa8 0x33 0x88 0x07 0xc7 0x31 0xb1 0x12 0x10 0x59 0x27 0x80 0xec 0x5f D 0x60 0x51 0x7f 0xa9 0x19 0xb5 0x4a 0x0d 0x2d 0xe5 0x7a 0x9f 0x93 0xc9 0x9c 0xef E 0xa0 0xe0 0x3b 0x4d 0xae 0x2a 0xf5 0xb0 0xc8 0xeb 0xbb 0x3c 0x83 0x53 0x99 0x61 F 0x17 0x2b 0x04 0x7e 0xba 0x77 0xd6 0x26 0xe1 0x69 0x14 0x63 0x55 0x21 0x0c 0x7d 操作和上面一样
二、行移位
移位是一个简单的左循环移位操作。当密钥长度为128比特时，状态矩阵的第0行左移0字节，第1行左移1字节，第2行左移2字节，第3行左移3字节，
行移位的逆变换
逆变换同上，向左移变成向右移
三、列混合
这里我感觉算是比较绕的东西
首先来看这张图
这里就是列混合的操作
状态矩阵中的第j列(0 ≤j≤3)的列混合可以表示为下图所示：
这加号和圆圈是异或的操作
每一个这么计算呢
要先了解需要模一个x8+x4+x3+x+1
例如
01∗d4+02∗bf+03∗5d+01∗30
d 4 = 11010100 = x 7 + x 6 + x 4 + x 2 b f = 10111111 = x 7 + x 5 + x 4 + x 3 + x 2 + x + 1 5 d = 01011101 = x 6 + x 4 + x 3 + x 2 + 1 30 = 00110000 = x 5 + x 4 01=1 02 = x 03 = x + 1 01 = 1
然后计算乘积式，x的几次方如果是偶数个则消去，因为其中执行异或操作
01∗d4+02∗bf+03∗5d+01∗30=1∗(x7+x6+x4+x2)+x(x7+x5+x4+x3+x2+x+1)+(x+1)(x6+x4+x3+x2+1)+1∗(x5+x4)=x7+x6+x4+x2+x8+x6+x5+x4+x3+x2+x+x7+x5+x4+x3+x+x6+x4+x3+x2+1+x5+x4=x8+x6+x5+x4+x3+x2+1(mod x8+x4+x3+x+1)=x6+x5+x2+x=(01100110)=66 这种矩阵运算基本上都是列成行，需要一个个计算。
列混合逆运算
四、轮密钥加
轮密钥加是将128位轮密钥Ki同状态矩阵中的数据进行逐位异或操作，如下图所示。其中，密钥Ki中每个字W[4i],W[4i+1],W[4i+2],W[4i+3]为32位比特字，包含4个字节，他们的生成算法下面在下面介绍。轮密钥加过程可以看成是字逐位异或的结果，也可以看成字节级别或者位级别的操作。也就是说，可以看成S0
S1 S2 S3 组成的32位字与W[4i]的异或运算。
轮密钥加的逆运算同正向的轮密钥加运算完全一致，这是因为异或的逆操作是其自身。轮密钥加非常简单，但却能够影响S数组中的每一位。
密钥扩展
AES首先将初始密钥输入到一个44的状态矩阵中，如下图所示。
个44矩阵的每一列的4个字节组成一个字，矩阵4列的4个字依次命名为W[0]、W[1]、W[2]和W[3]，它们构成一个以字为单位的数组W。例如，设密钥K为"abcdefghijklmnop",则K0 = ‘a’,K1 = ‘b’, K2 = ‘c’,K3 = ‘d’,W[0] = “abcd”。 接着，对W数组扩充40个新列，构成总共44列的扩展密钥数组。新列以如下的递归方式产生： 1.如果i不是4的倍数，那么第i列由如下等式确定： W[i]=W[i-4]⨁W[i-1] 2.如果i是4的倍数，那么第i列由如下等式确定： W[i]=W[i-4]⨁T(W[i-1]) 这里的i肯定是4起步不要担心为负数的情况
T是一个有点复杂的函数。 函数T由3部分组成：字循环、字节代换和轮常量异或
a.字循环：将1个字中的4个字节循环左移1个字节。即将输入字[b0, b1, b2, b3]变换成[b1,b2,b3,b0]。 b.字节代换：对字循环的结果使用S盒进行字节代换。 c.轮常量异或：将前两步的结果同轮常量Rcon[j]进行异或，其中j表示轮数。
| j | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rcon[j] | 01 00 00 00 | 02 00 00 00 | 04 00 00 00 | 08 00 00 00 | 10 00 00 00 |
| j | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| Rcon[j] | 20 00 00 00 | 40 00 00 00 | 80 00 00 00 | 1B 00 00 00 | 36 00 00 00 |
