AES加密算法原理（加密过程）

Rijndael（读作rain-dahl）是由美国国家标准与技术协会（NIST）所选的高级加密标准（AES）的候选算法。

AES算法流程：

下面简单介绍下各个部分的作用与意义：

明文P：

　　没有经过加密的数据。

密钥K：

　　　　　　用来加密明文的密码，在对称加密算法中，加密与解密的密钥是相同的。密钥为接收方与发送方协商产生，但不可以直接在网络上传输，否则会导致密钥泄漏，通常是通过非对称加密算法加密密钥，然后再通过网络传输给对方，或者直接面对面商量密钥。密钥是绝对不可以泄漏的，否则会被攻击者还原密文，窃取机密数据。

AES加密函数：

　　　　　　设AES加密函数为E，则 C = E(K, P),其中P为明文，K为密钥，C为密文。也就是说，把明文P和密钥K作为加密函数的参数输入，则加密函数E会输出密文C。

密文C：

　　　　　　经加密函数处理后的数据

AES解密函数：

　　　　　　设AES解密函数为D，则 P = D(K, C),其中C为密文，K为密钥，P为明文。也就是说，把密文C和密钥K作为解密函数的参数输入，则解密函数会输出明文P。

在这里简单介绍下对称加密算法与非对称加密算法的区别。

对称加密算法：

　　　　　　加密和解密用到的密钥是相同的，这种加密方式加密速度非常快，适合经常发送数据的场合。缺点是密钥的传输比较麻烦。

非对称加密算法：

　　　　　　加密和解密用的密钥是不同的，这种加密方式是用数学上的难解问题构造的，通常加密解密的速度比较慢，适合偶尔发送数据的场合。优点是密钥传输方便。常见的非对称加密算法为RSA、ECC和EIGamal。

实际中，一般是通过RSA加密AES的密钥，传输到接收方，接收方解密得到AES密钥，然后发送方和接收方用AES密钥来通信。

AES算法流程：
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。解密过程分别为对应的逆操作。由于每一步操作都是可逆的，按照相反的顺序进行解密即可恢复明文。加解密中每轮的密钥分别由初始密钥扩展得到。算法中16个字节的明文、密文和轮密钥都以一个4x4的矩阵表示。

一、字节代换

1.字节代换操作

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：

2.字节代换逆操作

逆字节代换也就是查逆S盒来变换，逆S盒如下：

举例：字节66替换后的值为S[6][6]=33，再通过S-1即可得到替换前的值，S-1[3][3]=66。

二、行位移

1.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。

三、列混淆

根据矩阵的乘法可知，在列混淆（利用域GF(28)上的算术特性的一个代替）的过程中，每个字节对应的值只与该列的4个值有关系。此处的乘法和加法需要注意如下几点：

（1）将某个字节所对应的值乘以2，其结果就是将该值的二进制位左移一位，如果该值的最高位为1（表示该数值不小于128），则还需要将移位后的结果异或00011011

（2)乘法对加法满足分配率，例如：07·S0,0=(01⊕02⊕04)·S0,0= S0,0⊕(02·S0,0)(04·S0,0)

（3)此处的矩阵乘法与一般意义上矩阵的乘法有所不同，各个值在相加时使用的是模2加法（异或运算）。

因为：说明两个矩阵互逆，经过一次逆向列混淆后即可恢复原文。

补充：（按位异或的概念）

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。首尾使用轮密钥加的理由：若将其他不需要密钥的阶段放在首尾，在不用密钥的情况下就能完成逆过程，这就降低了算法的安全性。

加密原理：轮密钥加本身不难被破解，另外三个阶段分别提供了混淆和非线性功能。可是字节替换、行移位、列混淆阶段没有涉及密钥，就它们自身而言，并没有提供算法的安全性。但该算法经历一个分组的异或加密（轮密钥加），再对该分组混淆扩散（其他三个阶段），再接着又是异或加密，如此交替进行，这种方式非常有效非常安全。

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。

密钥扩展过程说明：将初始密钥以列为主，转化为4个32 bits的字，分别记为w[0…3]；按照如下方式，依次求解w[i]，其中i是整数并且属于[4,43]。

1）将w[i]循环左移一个字节。