AES加密算法详解（图文解释）

由于DES加密算法被破解了，3DES加密算法虽然没有被破解，但是3DES算法的加解密效率低，所有现在都使用AES算法。
AES加密算法是密码学中的高级加密标准，AES为分组加密法，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，AES是按照字节进行加密的，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。这导致密钥长度不同，推荐加密的轮数也不同。

AES算法思想：
1）设计简单；
2）在多个平台上速度快，编码紧凑；
3）抵抗所有已知攻击；
4）没有采用Feistel结构，轮函数由3个不同的可逆均匀变换构成：非线性层、线性混合层和密钥加层。

明文P需要分组，称为状态，状态用以字节为元素的矩阵阵列表示，如图所示：

16字节明文按照此顺序放入矩阵，规则为：从上到下，从左到右，依次进行。

同样的，密钥K也需要分组，原理与明文P相同，下图为128位密钥矩阵：

下图为AES加密流程：

加密过程：C=E（K，P），其中C为加密后的密文，K为密钥，P为明文，E为加密函数。
解密过程：P=D（K，P），其中D为解密函数，解密过程为加密过程的逆运算。
AES的具体加密流程如下图所示：
AES加密过程通过四个步骤实现：字节替换、行移位、列混淆和轮密钥加。
注意： 根据密钥长度不同，加密的轮数也不同，在第一轮之前要进行轮密钥加，最后一轮没有进行列混淆操作。

我们来解释一下这四个步骤的具体含义：
字节替换： 属于非线性替换，具体原理就是通过一个替换表（S盒）对每个字节进行替换，实际上就是一个查表操作，并且此过程可逆，将每一个字节的前4位作为行值，后4位作为列值，去S盒查找，进行输出。
下图为S盒（x表示行，y表示列），例如字节为0x14，那么前四位的16进制为1，后四位的16进制为4，去查找s盒中的第1行第4列的值，可以看出为0xfa，就把原先的字节0x14替换为0xfa。

解密过程与此相同，唯一就是采用的是逆S盒。

接下来是行位移操作
对于4*4的矩阵，操作为：
第0行：保持不动；
第1行：循环左移1个字节；
第2行：循环左移2个字节；
第3行：循环左移3个字节。
解密过程变为循环右移，每行移动字节数与加密过程相同，下图为列位移示意图。

接下来是列混淆操作
实际上为44的矩阵与另一个44矩阵异或相乘（注意为右乘操作），重新得到一个4*4的矩阵，如下图所示。
解密过程为重新与此矩阵异或，因为两次异或得到的值为原数据本身。

最后为轮密钥加操作
轮密钥与状态矩阵进行逐比特异或操作。
这个轮密钥是由种子密钥通过密钥编排算法得到的，并且轮密钥长度与分组长度相同。
解密过程与之相同，两次异或得到原始数据。

密钥编排算法基本原则
1）轮密钥的比特数等于分组长度乘以轮数加1；
例如：将128位比特明文进行加密，总共需要（10+1）*128=1408比特密钥。
2）种子密钥扩展为扩展密钥；
3）轮密钥从扩展密钥中取，第一轮取扩展密钥的第0~3列，依次类推。
过程为：
定义：w[0]~w[3]为初始密钥

如果i=4的倍数，即i为每组的第一列，则执行以下3个步骤
1）将w[i-1]循环左移一个字节：

w[0]	w[1]	w[2]	w[3]	w[4]
2b	28	ab	09	cf
7e	ae	f7	4f	4f
15	d2	15	4f	3c
16	a6	88	3c	09

w’[i]=w[i-1]左移一个字节得到。
w’[4]=w[3]左移一个字节得到={09,cf,4f,3c}左移一个字节={cf,4f,3c,09}
2）分别对w’[i]的每个字节进行S盒替换，本质上就是查表，再替换为另一个字节。
即查表后为w’’[i]。
例如，w’[4]查表后的w’’[4]={8a,84,eb,01}，需s盒的自行查看。
3）将前两步的结果同轮常量Rcon[j]进行异或，j表示轮数，Rcon[j]如下图所示

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

那么w[i]=w[i-4]⊕w’[i]⊕Rcon[j]，此时j=1，因为为第一轮。
即w[4]=w[0]⊕w’’[4]⊕Rcon[1]，
那么w[8]=w[4]⊕w’’[8]⊕Rcon[2],……

如果i≠4的倍数，即i为每组的第二、三、四列，则执行以下一个步骤
即w[i]=w[i-4]⊕w[i-1]
例如w[5]=w[1]⊕w[4]，w[6]=w[2]⊕[5]，……

最终的到一个扩展密钥：{w[4]，w[5]，w[6]，w[7]}，之后的每一轮密钥都是在前一轮基础上形成的。

可能说的不是很明白，后续将会补充。