高级加密标准（AES）简介

1.简介

DES的56位**在穷举**搜索的攻势下显得不太安全，64位块也不够强大，急需一个新算法。美国*想把已经广泛使用的加密算法标准化，称为高级加密标准（Advanced Encrypted Standard，AES），经过多次讨论，最终采用了Rijndael算法（AES候选算法之一）。
AES采用128位块和128位**。AES的主要特性如下：
 对称与并行结构：是算法实现具有很大的灵活性，而且能够很好地抵抗密码分析攻击。
 适应现代处理器：算法很适合现代处理器，如：Pentium、RISC、并行处理器等。
 适合智能卡。
Rijndael支持的**长度和明文块长度为128位~256位（步长为32位）。**长度与明文长度要分别选取。AES规定，明文块长度必须是128位，**长度是128位、192位或256位。通常使用的两个AES版本是：128位明文块加128块**，以及128位明文块加256位**。
由于128位明文块加128位**更像是一个商用标准，因此只介绍这个版本。其他版本的原理是相同的。

2.操作

与DES的工作方法类似，Rijndael也使用了替换和变换的基本技术。**长度和明文块长度决定了需要运行的轮数。最少轮数为10（当**长度和明文块长度都为128位时），最多轮数是14。DES和Rijndael的一个主要不同之处是：所有的Rijndael操作都涉及整个字节，而不是字节的单个位。这使得可以更好的进行该算法实现的硬件和软件优化。Rijndael的步骤如下：
完成以下一些一次性初始化处理：
1.扩展16字节的**，以得到所用的实际的**块；
2.完成16字节明文块（称为状况）的一次性初始化；
3.该状况与**块进行XOR运算。
对每一轮，完成以下工作：
1.对每个明文块应用S盒；
2.把明文块的k行旋转k个字节；
3.执行一个混合列操作；
4.该状况与**块进行XOR运算。

3.一次性初始化操作

3.1 得到实际**块
与正常情况不一样，该算法的输入是**和明文。在这种情况下，**长度是16字节。这一步是要把这个16字节**扩展到11个数组中，每个数组含有4行4列。**扩展过程下图所示：

换句话说，初始16字节的**被扩展为一个含有11×4×4=176字节的**。这11个数组中的一个用于初始化处理，其余10个数组用在10轮中，每轮一个数组。
AES上下文中的术语“词”，一个词意为4个字节，所以，16个字节的初始**（4个词）将扩展成为176个字节的**（44个词）。
（1）首先，把初始16字节的初始**复制到扩展**的前4个词中，如下图所示：

另一种表示如下图所示：

（2）如上填充了扩展**的第一个数组（标号为W0~ W3）后，逐个填充剩余的10个数组（标号为W4~W43）。每次填充一个4×4的数组，即4个词。添加每个**数组块与上一个块以及位于该块之前的第4个块有关，也就是说，添加的每个词的W[i]与W [i-1]和W [i-4]有关，其逻辑如下：
（a）在W数组中，如果索引是4的倍数的词，就需要使用一些复杂的逻辑，即对于W[4]，W[8]，W[12]，⋯，W[40]，其填充逻辑如下图所示：

（b）对于其他的词，只需要简单的XOR运算即可。
在图3-4中，第一for循环，用来将输入**块复制到输出**块的前四个词中。在第二个for循环中，将检查当前词的索引是否为4的倍数。如果是，则执行3个函数Substitute、Rotate和Constant。如果不是，则只需要把前面第一个词和前面第四个词进行XOR运算。
函数Substitute对输入词的每个字节进行字节替换。为此使用了下表所示的S盒:

函数Rotate把词的内容完成一个左移位循环，每次移动一个字节。这样，如果输入词中含有标号为[B1 B2 B3 B4]的四个字节，那么输出词将含有四个字节为[B2 B3 B4 B1]。
在函数Constant中，以上步骤的输出与一个常量进行XOR运算。该常量是一个词，由4个字节组成的。该常量的值与轮数有关，常量词的后三个字节总为0。这样，与这样的一个常量进行XOR运算的输入词总是与输入词的第一个字节进行XOR运算一样，每轮的常量值如下表所示：

3.2 明文块的一次性初始化
这里把16字节的明文块复制到一个称为state的二维4×4数组中，复制顺序是按列进行，也就是，该明文块的前4个字节复制到state数组的第一列中，接下来的4个字节复制到state数组的第二列中，一次类推，复制顺序如下图所示：

3.3 密文块与state数组进行XOR运算
现在扩展**的前16字节（即4个词W[0]，W[1]，W[2]和W[3]）进行XOR运算后存储到16字节的state数组（即图3-5所示的B1~B16）。于是，state数组中的每个字节被其自己扩展**的对应字节做XOR运算后的结果替换。

4.每轮的操作

对于每一轮，运行下面步骤10次。
4.1 对每个明文字节应用S盒
这一步很简单，按state数组的内容查找S盒（对应于表3-1）。用S盒的对应项替换state数组的内容，从而完成逐个字节的替换。
4.2 把明文块的k行旋转k个字节
State数组（有4行）的每一行都向左旋转，行0旋转0个字节（即不旋转），行1旋转1个字节，行2旋转2个字节，行3旋转3个字节。这有助于数据的混淆。其旋转后的数组表示如下表所示：

4.3 进行混合列操作
现在进行混合列操作，且相互之间是没有关联的，这需要使用到矩阵相乘操作。这一步输出是旧值与常量矩阵进行矩阵相乘的结果。
state数组组织成了一个4×4的矩阵，矩阵相乘是一次一列（即一次4个字节）进行的。列的每个值要与矩阵的每个值相乘（即总共进行16次乘法），这些相乘的结果一起进行XOR运算，只生成4个字节，用作下一个state数组。这种乘法是每次用矩阵的一行乘以state列的每个值。
这里总共有4个输入、16次乘法、12次XOR运算以及4个输出字节。
4.4 把state数组与**块进行XOR运算
这一步是把该轮的**与state数组进行XOR运算。
对于解密，其执行过程正好相反。