AES底层原理实现
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上一次为大家介绍了AES算法的基本概念，我们是有追求的程序员，不能知其然不知其所以然。这一次，我来了解一下AES算法的底层原理。
小明：老师，上一次你介绍了AES算法的基本概念，这一次可不可以讲讲AES的底层加密解密原理？
老师：没问题，让我们先来回顾一下AES算法整体的关系图。
上一篇我们已经对AES的总体加密流程进行了介绍，在这里我们重新梳理一下：
1.把明文按照128bit拆分成若干个明文块。
2.按照选择的填充方式来填充最后一个明文块。
3.每一个明文块利用AES加密器和密钥，加密成密文块。
4.拼接所有的密文块，成为最终的密文结果。
那么AES加密器里有什么？如何利用密钥把明文块加密成密文块？对于我们来说仍然是一个黑盒子。
下面我来展示一张图，揭示出AES加密器的神秘面纱。
小明：这是什么乱七八糟的，看不懂哎......
老师：别着急，我们一点一点来解释。首先我们要了解，AES加密不是一次把明文变成密文，而是先后经过很多轮加密。
具体分成多少轮呢？
初始轮（Initial Round） 1次
普通轮（Rounds） N次
最终轮（Final Round） 1次
上一期我们提到，AES的Key支持三种长度：AES128，AES192，AES256。Key的长度决定了AES加密的轮数。
除去初始轮，各种Key长度对应的轮数如下：
AES128：10轮
AES192：12轮
AES256：14轮
不同阶段的Round有不同的处理步骤。
初始轮只有一个步骤：
加轮密钥（AddRoundKey）
普通轮有四个步骤：
字节代替（SubBytes）
行移位（ShiftRows）
列混淆（MixColumns）
加轮密钥（AddRoundKey）
最终轮有三个步骤：
字节代替（SubBytes）
行移位（ShiftRows）
加轮密钥（AddRoundKey）
小明：这么多步骤，也太复杂了。。。。。。
老师：看似复杂，其实每一个步骤都并不难理解。下面我们来具体介绍这些步骤。
1. 字节替代（SubBytes）
首先需要说明的是，16字节的明文块在每一个处理步骤中都被排列成4X4的二维数组。
所谓字节替代，就是把明文块的每一个字节都替代成另外一个字节。替代的依据是什么呢？依据一个被称为S盒（SubtitutionBox）的16X16大小的二维常量数组。
假设明文块当中a[2,2]= 5B（一个字节是两位16进制），那么输出值b[2,2] = S[5][11]。
2. 行移位（ShiftRows）
这一步很简单，就像图中所描述的：
第一行不变
第二行循环左移1个字节
第三行循环左移2个字节
第四行循环左移3个字节
3. 列混淆（MixColumns）
这一步，输入数组的每一列要和一个名为修补矩阵（fixed matrix）的二维常量数组做矩阵相乘，得到对应的输出列。
4. 加轮密钥（AddRoundKey）
这一步是唯一利用到密钥的一步，128bit的密钥也同样被排列成4X4的矩阵。
让输入数组的每一个字节a[i,j]与密钥对应位置的字节k[i,j]异或一次，就生成了输出值b[i,j]。
需要补充一点，加密的每一轮所用到的密钥并不是相同的。这里涉及到一个概念：扩展密钥（KeyExpansions）。
扩展密钥（KeyExpansions）
AES源代码中用长度 4 * 4*（10+1）字节的数组W来存储所有轮的密钥。W{0-15}的值等同于原始密钥的值，用于为初始轮做处理。
后续每一个元素W[i]都是由W[i-4]和W[i-1]计算而来，直到数组W的所有元素都赋值完成。
W数组当中，W{0-15}用于初始轮的处理，W{16-31}用于第1轮的处理，W{32-47}用于第2轮的处理 ......一直到W{160-175}用于最终轮（第10轮）的处理。
小明：原来如此。那么AES的解密流程是什么样呢？
老师：解密流程基本是把加密流程倒置过来，顺序变为最终轮-》普通轮-》初始轮。扩展密钥的使用顺序也和加密相反。
小明：还有一个问题，你之前说过AES分为五种工作模式。这些工作模式在加密流程中有什么不同？
老师：首先明确一点，所有工作模式的差别体现在宏观上，即明文块与明文块之间的关联。AES加密器的内部处理流程都是相同的。由于篇幅问题，我们只以ECB和CBC两种模式作为例子来说明。
1.ECB模式
ECB模式（Electronic Codebook Book）是最简单的工作模式，在该模式下，每一个明文块的加密都是完全独立，互不干涉的。
这样的好处是什么呢？
1.简单
2.有利于并行计算
缺点同样也很明显：
相同的明文块经过加密会变成相同的密文块，因此安全性较差。
2.CBC模式
CBC模式（Cipher Block Chaining）引入了一个新的概念：初始向量IV（Initialization Vector）。
IV是做什么用的呢？它的作用和MD5的“加盐”有些类似，目的是防止同样的明文块始终加密成同样的密文块。
从图中可以看出，CBC模式在每一个明文块加密前会让明文块和一个值先做异或操作。IV作为初始化变量，参与第一个明文块的异或，后续的每一个明文块和它前一个明文块所加密出的密文块相异或。
这样以来，相同的明文块加密出的密文块显然是不一样的。
CBC模式的好处是什么呢？
安全性更高
坏处也很明显：
1.无法并行计算，性能上不如ECB
2.引入初始化向量IV，增加复杂度。
至于CTR，OCF，CFB几种模式的细节，我就不过多介绍了，有兴趣的小伙伴可以借助网络和书籍做进一步学习。
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