AES加密算法

前言

上一节介绍的3DES，实际上只是DES的一个变体，他通过三重加密的方式保障了安全性，但是随之而来的巨大的计算量消耗，带来的就是加解密速度慢，效率不高的问题。
为了解决这个问题，美国NIST早在1997年就发布了公开征集AES算法的活动，经过五年的层层筛选，历时五年，最终在2002年确定了AES算法标准。

一、AES算法简介

AES算法全称Advanced Encryption Standard，又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。经过五年的甄选流程，高级加密标准由美国国家标准与技术研究院 （NIST）于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。2006年，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。
AES支持三种长度的密钥：128位，192位，256位。

二、AES算法原理

1.密钥

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。

2.填充

要想了解填充的概念，我们先要了解AES的分组加密特性。什么是分组加密呢？我们来看看下面这张图：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。
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）。
填充涉及以下三种填充模式：

三、AES算法流程

AES加密包括：初始轮、普通轮、最终轮三个部分。
除去初始轮，各种密钥长度对应的轮数如下：
AES128 : 10轮
AES192 : 12轮
AES256 : 14轮

1.字节替换

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（Subtitution Box）的16X16大小的二维常量数组。

2.行移位

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

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.轮钥密加

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）。

5.扩展密钥

这里通过一个具体的实例，跟大家介绍一下扩展密钥的工作方式：
这个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。
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])
其中，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，这3部分的作用分别如下。
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。
轮常量Rcon[j]是一个字，其值见下表。

后面的也是按照这种方式产生的，这样我们十一轮的密钥就产生了。之后轮钥密加的时候依次取4x4的矩阵进行运算即可。

总结

AES用于替代DES成为新一代的加密标准。具有128比特的分组长度，并支持128、192和256比特的密钥长度，可在全世界范围内免费得到。其前身为Rijndael（读作：Rain Doll）。Rijndael算法与AES的唯一区别在于各自所支持的分组长度和密码密钥长度的反胃不同。Rijndael是具有可变分组长度和可变密钥长度的分组密码，其分组长度和密钥长度均可独立地设定为32比特的任意倍数，最小值128bit，最大256bit。而AES将分组长度固定为128位，而且仅支持128、192和256位的密钥长度，分别称为AES-128，AES-192，AES-256。