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AES加密算法原理

一般的加密通常都是块加密，如果要加密超过块大小的数据，就需要涉及填充和链加密模式，本文对对称加密和分组加密中的几种种模式进行一一分析(ECB、CBC、CFB、OFB,CTR)

这种模式是将整个明文分成若干段相同的小段，然后对每一小段进行加密。

优点:

这种模式是先将明文切分成若迹斗干小段，然后每一小段与初始块或者上一段的密文段进行异或运算后，再与密钥进行加密。

优点：

计算器模式不常见，在CTR模式中，有一个自增的算子，这个算子用密钥加密之后的输出和明文异或的结果得到密文，相当于一次一密。这种加密方式简单快速，安全可靠扮毁，而且可以并行加密厅州备，但是在计算器不能维持很长的情况下，密钥只能使用一次。CTR的示意图如下所示：

优点：

aes算法是什么？

是;

AES：Advanced Encryption Standard(高级加密标准)，是美国国家标准与技术研究所用于加密电子数据的规范，该算法汇聚了设计简单、密钥安装快、需要的内存空间少、在所有的平台上运行良好氏宴、支持并行处理并且可以抵抗所有已知攻击等优点。

AES是一个迭代的、对称密钥分组的密码，它可以使用128、192 和 256 位密钥，并且用 128 位（16字节）分组加密和解密数据。

什么是AES算法

加密算法分为单向加密和双向加密。

单向加密包括 MD5 ， SHA 等摘要算法。单向加密算法是不可逆的，也就是无法将加密后的数据恢复成原始数据，除非采取碰撞攻击和穷举的方式。像是银行账户密码的存储，一般采用的就是单向加密的方式。

双向加密是可逆的，存在密文的密钥，持有密文的一方可以根据密钥解密得到原始明文，一般用于发送方和接收方都能通过密钥获取明文的情况。双向加密包括对称加密和非对称加密。对称加密包括 DES 加密， AES 加密等，非对称加密包括 RSA 加密森猛， ECC 加密。

AES 算法全称 Advanced Encryption Standard ,是 DES 算法的替代者，也是当今最流行的对称加密算法之一。

要想学习AES算法，首先要弄清楚三个基本的概念：密钥、填充、模式。

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。从安全性来看，AES256安全性最高。从性能来看，AES128性能最高。本质原因是它们的加密处理轮数不同。

要想了解填充的概念，我们先要了解AES的分组加密特性。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腔弊文块，这些密文块拼接在一起，就是最终的AES加密结果。

但是这里涉及到一个问题：

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）。AES在不同的语言实现中有许多不同的填充算法，我们只举出集中典型的填充来介绍一下。

不做任何填充，但是要求明文必须是16字节的整数倍。

如果明文块少于16个字节（128bit），在明文块末尾补足相应数量的字符，且每个字节的值等于缺少的字符数。

比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节，则补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,6,6,6,6,6,6}

如果明文块少于16个字节（128bit），在明文块末尾补足相应数量的字节，最后一个字符值等于缺少的字符数，其他字符填充随机数。

比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节，则可能补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,5,c,3,G,$,6}

需此圆桥要注意的是，如果在AES加密的时候使用了某一种填充方式，解密的时候也必须采用同样的填充方式。

AES的工作模式，体现在把明文块加密成密文块的处理过程中。AES加密算法提供了五种不同的工作模式：

ECB、CBC、CTR、CFB、OFB

模式之间的主题思想是近似的，在处理细节上有一些差别。我们这一期只介绍各个模式的基本定义。

电码本模式 Electronic Codebook Book

密码分组链接模式 CipherBlock Chaining

计算器模式 Counter

密码反馈模式 CipherFeedBack

输出反馈模式 OutputFeedBack

如果在AES加密的时候使用了某一种工作模式，解密的时候也必须采用同样的工作模式。

AES加密主要包括两个步骤：密钥扩展和明文加密。

密钥扩展过程说明（密钥为16字节）：

函数g的流程说明：

轮常量（Rcon）是一个字，最右边三个字节总为0。因此字与Rcon相异或，其结果只是与该字最左的那个字节相异或。每轮的轮常量不同，定位为Rcon[j] = (RC[j], 0, 0, 0)。（RC是一维数组）

RC生成函数：RC[1] = 1, RC[j] = 2 * RC[j – 1]。

因为16字节密钥的只进行10轮的扩展，所以最后生成的RC[j]的值按16进制表示为：

十轮的密钥扩展后，就能生成44个字大小的扩展密钥。扩展后的密钥将用于AES对明文的加密过程。

S盒是16×16个字节组成的矩阵，行列的索引值分别从0开始，到十六进制的F结束，每个字节的范围为（00-FF）。

进行字节代替的时候，把状态中的每个字节分为高4位和低4位。高4位作为行值，低4位作为列值，以这些行列值作为索引从S盒的对应位置取出元素作为输出，如下图所示：

S盒的构造方式如下：

（1）按字节值得升序逐行初始化S盒。在行y列x的字节值是{yx}。

（2）把S盒中的每个字节映射为它在有限域GF中的逆;{00}映射为它自身{00}。

（3）把S盒中的每个字节的8个构成位记为(b7, b6, b5, b4, b3, b2, b1)。对S盒的每个字节的每个位做如下的变换：

ci指的是值为{63}的字节c的第i位。

解密过程逆字节代替使用的是逆S盒，构造方式为

字节d={05}。

逆向行移位将状态中后三行执行相反方向的移位操作，如第二行向右循环移动一个字节，其他行类似。

要注意，图示的矩阵的乘法和加法都是定义在GF(2^8)上的。

逆向列混淆原理如下：

轮密钥加后的分组再进行一次轮密钥加就能恢复原值.所以，只要经过密钥扩展和明文加密，就能将明文加密成密文，进行解密的时候，只需要进行逆向变换即可。

图[AES加密算法的流程]中还需要注意，明文输入到输入状态后，需要进行一轮的轮密钥加，对输入状态进行初始化。前9轮的加密过程，都需要进行字节替代、行移位、列混淆和轮密钥加，但是第10轮则不再需要进行列混淆。

进行解密的时候，需要进行逆向字节替代，逆向行移位、逆向列混淆和轮密钥加。

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