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目录
1.算法简介
2.算法流程
2.2 轮密钥加
2.3 字节代替
2.4 行位移
2.5 列混淆
3.总结
附录A 运算示例
附录B 下载链接
1.算法简介
高级加密标准（英语：Advanced Encryption Standard，缩写：AES），在密码学中又称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算法属于对称加密算法，是一个分组密码。AES加密算法分为3种，分别是AES-128，AES-192，AES-256。它们之间区别如表1-1所示。
表1-1 3种AES加密算法区别
| AES | 密钥长度（bit） | 分组长度（bit） | 加密轮数 |
| AES-128 | 128 | 128 | 10 |
| AES-192 | 192 | 128 | 12 |
| AES-256 | 256 | 128 | 14 |
本文以最常见的AES-128为例，详细介绍AES加密算法的加密流程。
2.算法流程
AES加密算法主要由4中操作组成：字节代替、行位移、列混淆、轮密钥加。另外还需要对原始密钥进行扩展。主流程图如图2-1所示。
图2-1 AES-128加密算法流程图
加密过程：首先明文进行1次轮密钥加；然后循环9轮字节代替、行位移、列混淆、轮密钥加；注意第10轮没有列混淆。
解密过程：解密过程与加密过程相反，这也是对称加密算法的特点。首先密文进行1次轮密钥加；然后循环9轮逆向行位移、逆向字节代替、轮密钥加、逆向列混淆；注意第10轮没有逆向列混淆。
接下来对每一个流程进行详细介绍。
2.1 扩展密钥
首先对16字节的原始密钥进行扩展，扩展密钥原理图如图2-2所示。
图2-2 扩展密钥原理图
- 首先需要将16字节原始密钥按列转换成4个32bit的字，即W[0],W[1],W[2],W[3]。
- 根据原理图和下式依次求解W[j]，j=4……43。
函数g如图2-2b所示，具体流程如下：
2.1）将循环左移1字节；
2.2）分别对每个字节按S盒进行映射(S盒见图2-3)；
2.3）映射后的值与32bit常量[RC[j/4]，0,0,0]进行异或。RC实际只用到后10个字节，RC[0]没有用到，增加RC[0]是为了方便程序中用数组表示。
RC=[0x00,0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80,0x1B,0x36]
2.2 轮密钥加
在首次进行轮密钥加之前，要对16字节明文进行预处理，将其组成一个4*4的矩阵，然后与初始密钥进行异或运算。之后每次轮密钥加都是与对应扩展的密钥进行异或。
2.3 字节代替
字节代替是通过S盒映射完成的，S盒如图2-3所示。逆向字节代替是通过S盒的逆(S-1)映射完成的。S盒的逆如图2-4所示，其中的值都以16进制表示。
字节代替就是将字节的高4位作为行，低4位作为列，取S盒中对应的行列的值。
例如：字节0x19代替后的值为S(0x19)=S[0x1][0x9]=0xD4；再通过S-1即可替换为原来的值，S-1(0xD4)= S-1 [0xD][0x4]=0x19。
图2-3 S盒(S-box)
图2-4 S盒的逆(Inverse S-box)
2.4 行位移
1）正向行位移
第1行不变
第2行循环左移1字节
第3行循环左移2字节
第4行循环左移3字节
图2-5 正向行位移原理图
2）逆向行位移
第1行不变
第2行循环右移1字节
第3行循环右移2字节
第4行循环右移3字节
2.5 列混淆
利用GF(28)域上算术特性的一个代替。
1)正向列混淆
正向列混淆将数据左乘一个固定矩阵，原理图如图2-6所示。
图2-6 正向列混淆原理图
此处的矩阵乘法不是一般数学意义上的相乘，而是定义在GF(28)上的乘法，需注意以下节点：
a)乘法满足分配率，如07*S0,0=(010203)* S0,0= S0,0(02* S0,0)(04*S0,0)
b)加法为异或运算
c) 乘2就是将二进制左移1位，若原始的值最高位为1，需将移位后的结果异或00011011（若没有移位则不用异或00011011）。
举例：
02*d4=02*(1101 0100)B=(1010 1000)B(0001 1011)B=(1011 0011)B
03*bf=(0102)*bf=01*(1011 1111)B02*(1011 1111)B=(1011 1111)B(0111 1110)B(0001 1011)B=(1101 1010)B
01*5d=(0101 1101)B
01*30=(0011 0000)B
则：(1011 0011)B(1101 1010)B (0101 1101)B (0011 0000)B=04
2)逆向列混淆
逆向列混淆原理图如图2-7所示。他与正向列混淆的差别仅仅是左乘的矩阵不同。正向列混淆与逆向列混淆左乘的矩阵，相乘之后为单位矩阵，所以逆向列混淆可以恢复原文。
3.总结
本文以AES-128为例，详细介绍了AES加密算法的流程，AES-192和AES-256与AES-128相似，只是密钥长度和加密轮数不一样。AES作为对称加密算法，加密和解密用相同密钥；加密速度快，适合用于经常发送数据的场合。
附录A 运算示例
输入消息(16字节)：
0x32，0x43，0xf6，0xa8，0x88，0x5a，0x30，0x8d，
0x31，0x31，0x98，0xa2，0xe0，0x37，0x07，0x34
原始密钥(16字节)：
0x2b，0x7e，0x15，0x16，0x28，0xae，0xd2，0xa6，
0xab，0xf7，0x15，0x88，0x09，0xcf，0x4f，0x3c
扩展密钥：
0x2b7e1516 0x28aed2a6 0xabf71588 0x09cf4f3c
0xa0fafe17 0x88542cb1 0x23a33939 0x2a6c7605
0xf2c295f2 0x7a96b943 0x5935807a 0x7359f67f
0x3d80477d 0x4716fe3e 0x1e237e44 0x6d7a883b
0xef44a541 0xa8525b7f 0xb671253b 0xdb0bad00
0xd4d1c6f8 0x7c839d87 0xcaf2b8bc 0x11f915bc
0x6d88a37a 0x110b3efd 0xdbf98641 0xca0093fd
0x4e54f70e 0x5f5fc9f3 0x84a64fb2 0x4ea6dc4f
0xead27321 0xb58dbad2 0x312bf560 0x7f8d292f
0xac7766f3 0x19fadc21 0x28d12941 0x575c006e
0xd014f9a8 0xc9ee2589 0xe13f0cc8 0xb6630ca6
先对明文进行1次轮密钥加
0x19，0x3d，0xe3，0xbe，0xa0，0xf4，0xe2，0x2b，
0x9a，0xc6，0x8d，0x2a，0xe9，0xf8，0x48，0x08
第1轮：
字节代替后：
0xd4，0x27，0x11，0xae，0xe0，0xbf，0x98，0xf1，
0xb8，0xb4，0x5d，0xe5，0x1e，0x41，0x52，0x30
行位移后：
0xd4，0xbf，0x5d，0x30，0xe0，0xb4，0x52，0xae，
0xb8，0x41，0x11，0xf1，0x1e，0x27，0x98，0xe5
列混淆后：
0x04，0x66，0x81，0xe5，0xe0，0xcb，0x19，0x9a，
0x48，0xf8，0xd3，0x7a，0x28，0x06，0x26，0x4c
第2轮-第10轮
附录B 下载链接
https://download.csdn.net/download/u013073067/13138312
编译环境：VS2010
语言：C
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