AES加密算法原理(图文)
aes加密原理
aes加密原理AES（AdvancedEncryptionStandard）是一种对称加密算法，由美国国家标准技术研究所（NIST）发布。
AES加密算法是2001年美国国家标准技术研究所（NIST）颁布的一种数据加密标准，取代了DES（Data Encryption Standard）加密标准。
AES被广泛地应用在电子数据传输安全领域，特别是在银行、金融领域中得到了广泛的应用。
AES加密算法是一种分组密码，采用对称加密方式，即加密和解密使用相同的密钥。
AES加密算法可以使用128位（16字节）、192位（24字节）或256位（32字节）密钥。
它采用128位（16字节）分组来处理输入的明文数据，并将其分成4 * 4的字节矩阵。
AES加密算法基于一种叫做“置换-混淆”的基本原理，它在处理加密数据时，先将明文置换（变换），然后进行混淆（也就是扩散），最后再进行置换（变换）。
AES加密算法的安全性有很多方面的体现，它采用128位（16字节）、192位（24字节）或256位（32字节）密钥，有效提高了安全性。
AES加密算法是一种块加密方案，将明文以比较小的块进行处理，采用“替换置换”工作模式，使用S-box对明文进行替换，利用置换矩阵对明文进行筛选，大大增加了破解难度。
此外，AES使用相同的密钥对数据进行加解密，其算法设计上、系统实现都非常简单，它传输的安全性、安全可控性也更强。
AES加密安全性可靠，在电子数据传输安全领域有着广泛的应用，也被广泛应用于金融领域，但同时也存在一些安全隐患。
主要表现在，AES加密算法安全性受到各种攻击的影响，包括侦测攻击、中间人攻击和量子计算机攻击等。
侦测攻击是指在加密通信时，窃取到的信息及控制信息，从而进行攻击的一种技术；中间人攻击是指发起攻击的第三方拦截消息，窃取双方之间的明文，从而实现访问的一种攻击；量子计算机攻击是指利用量子计算机技术，破坏AES加密算法的安全性，实施访问的一种攻击方式。
aes的原理及其应用
AES的原理及其应用一、引言AES（Advanced Encryption Standard）是一种对称密钥加密算法，是美国国家标准和技术研究院（NIST）在全球范围内广泛使用的加密标准。
本文将介绍AES的原理及其应用。
二、AES的原理AES采用分组密码的方式，将明文分为固定长度的块，然后对每个块进行加密。
其原理如下：1.密钥扩展：AES通过对密钥进行扩展，生成多个轮密钥，以增加加密的安全性。
2.轮数和轮函数：AES加密算法的轮数取决于密钥长度，每轮包括轮加密、字节替换、行位移和列混淆等步骤，以增加密文的复杂度和随机性。
3.字节替换：通过AES中的S盒（Substitution Box）对块中的每个字节进行替换，增加混淆度。
4.行位移和列混淆：AES对每个块进行行位移和列混淆操作，使得密文更加散乱，增加破解的难度。
5.轮密钥加：AES的每轮中，将轮密钥与块进行异或运算，以增加加密的随机性。
三、AES的应用AES广泛应用于各个领域，以下是一些主要的应用场景：1.数据加密：AES可用于对数据进行加密，保护数据的安全性。
在互联网、电子商务、移动应用等领域，AES被广泛应用于对敏感数据的加密，如用户密码、信用卡信息等。
2.文件加密：AES可用于对文件进行加密，保护文件的机密性。
在企业组织中，常用AES对文件进行加密，以防止未授权访问和数据泄露。
3.通信加密：AES可用于对通信数据进行加密，保护通信内容的机密性。
在网络通信和密码学协议中，AES被广泛应用于HTTPS、IPSec、SSL/TLS等加密算法中，保障通信过程的安全性。
4.硬件加密：AES可用于硬件设备中的加密运算，如智能卡、USB加密盘等。
硬件加密能够提供更高的安全性和更快的加密速度。
5.数据存储：AES可用于对数据存储介质进行加密，如硬盘、数据库等。
通过对数据进行加密，可以防止数据泄露和未授权访问。
四、AES的优势相比于其他加密算法，AES具有以下优势：1.安全性高：AES采用了高度复杂的算法和密钥扩展技术，提供了很高的安全性，能够抵抗多种破解手段。
最新AES加密算法详解精品课件
第七页，共37页。
Fig 2. 以明文(míngwén)分组（或密钥） 为128bits、192bits 、256bits为例组成的
阵列
0 4 8 12 1 5 9 13 2 6 10 14 3 7 11 15
0 4 8 12 16 20 1 5 9 13 17 21 2 6 10 14 18 22 3 7 11 15 19 23
ByteRotation
InvByteRotation
for i=9 to 0
for i=1 to 10
MixColumn
i=10
＋ Ki
Ciphertext(128 bits)
加密(jiā mì)
第二十三页，共37页。
InvByteSubstitution
＋
Ki
Plaintext(128 bits)
AES 的密钥调度(diàodù) 密钥调度(diàodù)包括两个部分：密
钥扩展和轮密钥选取。
• 密钥bit的总数＝分组长度×（轮数Round＋1） 例如当分组长度为128bits和轮数Round为10时， 轮密钥长度为128×(10＋1)＝1408bits。
• 将密码密钥扩展成一个(yī ɡè)扩展密钥。 • 从扩展密钥中取出轮密钥：第一个(yī ɡè)轮密钥
0 4 8 12 16 20 24 28 1 5 9 13 17 21 25 29 2 6 10 14 18 22 26 30 3 7 11 15 19 23 27 31
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一些相关的的术语(shùyǔ)定义和表示
• 状态（State）：密码运算的中间结果(jiē guǒ)称 为状态。
aes的原理
aes的原理AES（Advanced Encryption Standard）是一种对称加密算法，它是目前使用最广泛的加密算法之一。
AES的原理是将明文分块，每个块的大小为128位，然后通过一系列的加密操作，将明文转化为密文。
以下是AES的详细原理：1. 密钥扩展在AES中，密钥的长度可以是128位、192位或256位。
在加密之前，需要对密钥进行扩展，以生成一系列的轮密钥。
这些轮密钥用于每一轮加密操作中，以确保加密的安全性。
2. 初始轮在初始轮中，明文和轮密钥进行一次异或操作。
这个操作将明文转化为一个中间状态，称为“状态”。
3. 轮变换在接下来的9轮中，AES使用一种称为“SubBytes”的操作，将状态中的每个字节替换为一个固定的值。
然后，AES使用“ShiftRows”操作，将状态中的每一行进行循环移位。
接着，AES使用“MixColumns”操作，对状态中的每一列进行线性变换。
最后，AES使用轮密钥对状态进行一次异或操作。
4. 最终轮在最后一轮中，AES使用SubBytes、ShiftRows和轮密钥的异或操作，但是没有MixColumns操作。
5. 解密AES的解密过程与加密过程类似，但是使用了相反的操作。
解密过程中，需要使用与加密相同的轮密钥，但是需要按照相反的顺序使用这些轮密钥。
总之，AES是一种安全、高效的加密算法。
它通过密钥扩展、初始轮、轮变换和最终轮，将明文转化为密文。
在解密过程中，需要按照相反的顺序使用轮密钥，以恢复原始的明文。
A E S 加 密 算 法 的 原 理 详 解 ( 2 0 2 0 )
# AES加密原理-详解0 AES简介美国国家标准技术研究所在2001年发布了高级加密标准（AES）。
AES 是一个对称分组密码算法，旨在取代DES成为广泛使用的标准。
根据使用的密码长度，AES最常见的有3种方案，用以适应不同的场景要求，分别是AES-128、AES-192和AES-256。
本文主要对AES-128进行介绍，另外两种的思路基本一样，只是轮数会适当增加。
1 算法流程AES加解密的流程图如下：AES加密过程涉及到4种操作：字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。
解密过程分别为对应的逆操作。
由于每一步操作都是可逆的，按照相反的顺序进行解密即可恢复明文。
加解密中每轮的密钥分别由初始密钥扩展得到。
算法中16字节的明文、密文和轮密钥都以一个4x4的矩阵表示。
接下来分别对上述5种操作进行介绍。
1.1 字节代替下图(a)为S盒，图(b)为S-1（S盒的逆）S和S-1分别为16x16的矩阵。
假设输入字节的值为a=a7a6a5a4a3a2a1a0，则输出值为S[a7a6a5a4][a3a2a1a0]，S-1的变换也同理。
例如：字节00替换后的值为（S[0][0]=）63，再通过S-1即可得到替换前的值，（S-1 [6][3]=）00。
1.2 行移位行移位的功能是实现一个4x4矩阵内部字节之间的置换。
1.2.1 正向行移位正向行移位的原理图如下：实际移位的操作即是：第一行保存不变，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。
假设矩阵的名字为state，用公式表示如下：state’[i][j] = state[i][(j+i)%4];其中i、j属于[0,3]1.2.2 逆向行移位逆向行移位即是相反的操作，用公式表示如下：state’[i][j] = state[i][(4+j-i)%4];其中i、j属于[0,3]1.3 列混淆列混淆：利用GF(28)域上算术特性的一个代替。
AES算法原理
AES 是一个新的可以用于保护电子数据的加密算法。明确地说，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。与公共密钥密码使用密钥对不同，对称密钥密码使用相同的密钥加 密和解密数据。通过分组密码返回的加密数据 的位数与输入数据相同。迭代加密使用一个 循环结构，在该循环中重复置换（permutations ）和替换(substitutions）输入数据。
(2)字节代换：对字循环的结果使用S盒进行字节代换。
(3)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。
轮常量是一个字，使用轮常量是为了防止不同轮中产生的轮 密钥的对称性或相似性。
表 1-9 轮常量值表
J
1
2
3
4
5
Rcon[j] J
Rcon[j]
01000000 6
a30 a31 a32 a33 a34 a35
k10 k11 k12 k13 k14 k15 k20 k21 k22 k23 k24 k25
k30 k31 k32 k33 k34 k35 图 1-3 密钥加运算示意图
AES的密钥调度
密钥bit的总数 = 分组长度 x ( 轮数Round + 1 )
5 36 2F C2 D9 68 ED
6 A5 FF 23 24 98 B9
7 38 87 3D B2 16 DA
8 BF 34 EE 76 D4 5E
9 40 8E 4C 5B A4 15
A A3 43 95 A2 5C 46
B 9E 44 0B 49 CC 57
全程图解AES的四种加密模式
全程图解AES的四种加密模式
一. AES对称加密:
AES加密
分组
二. 分组密码的填充
分组密码的填充
举例：
PKCS#5填充方式
三. 流密码:
四. 分组密码加密中的四种模式:
ECB模式
优点:
1.简单；
2.有利于并行计算；
3.误差不会被传送；
缺点:
1.不能隐藏明文的模式；
2.可能对明文进行主动攻击；
CBC模式：
优点：
1.不容易主动攻击,安全性好于ECB,适合
传输长度长的报文,是SSL、IPSec的标准。
缺点：
1.不利于并行计算；
2.误差传递；
3.需要初始化向量IV
CFB模式：
优点：
1.隐藏了明文模式;
2.分组密码转化为流模式;
3.可以及时加密传送小于分组的数据;
缺点:
1.不利于并行计算;
2.误差传送：一个明文单元损坏影响多个
单元;
3.唯一的IV;
OFB模式：
优点:
1.隐藏了明文模式;
2.分组密码转化为流模式;
3.可以及时加密传送小于分组的数据;
缺点:
1.不利于并行计算;
2.对明文的主动攻击是可能的;
3.误差传送：一个明文单元损坏影响多个单元;。
AES算法结构ppt
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16
字节代替
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17
S盒
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18
2、行移位变换
• 4X4的state矩阵第一行保持不变，第二行循环左移一个字 节，第三行循环左移两个字节，第四行循环左移三个字节 。
S0,0 S0,1 S0,2 S0,3 S1,0 S1,1 S1,2 S1,3 S2,0 S2,1 S2,2 S2,3 S3,0 S3,1 S3,2 S3,3 S0,0 S0,1 S0 S0,3
01
23
45
67
89
ab
cd
ef
fe
dc
ba
98
76
54
32
10
字节
01
89
fe
76
字节
23
输入矩阵 (16字节)
ab dc
cd ba
54
32
45
67
ef
98
10
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8
• 明文—16字节(128位)
输入state (16字节) 初始变换
密钥—M字节
第0轮的密钥 (16字节)
初始变换 后的state (16字节) 第一轮(4种变换)
j 1 2 02 3 04 4 08 5 10 6 20 7 40 8 9 10 36
RC[j] 01
80 1B
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25
简化AES
• 简化AES(S-AES)是Santa Clara大学的Edward Schaefer教授以及他的几个学生开发出来的。 • 加密算法以16位分组的明文作为输入，使用16位 的密钥产生16位分组的密文。 • S-AES解密算法以16位分组的密文作为输入，使用 同样的16位密钥产生16位分组的原始明文。
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AES加密算法原理（图文）随着对称密码的发展,DES数据加密标准算法由于密钥长度较小(56位),已经不适应当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求，因此1997年NIST公开征集新的数据加密标准,即AES[1]。
经过三轮的筛选,比利时Joan Daeman和Vincent Rijmen提交的Rijndael算法被提议为AES的最终算法。
此算法将成为美国新的数据加密标准而被广泛应用在各个领域中。
尽管人们对AES还有不同的看法,但总体来说,AES作为新一代的数据加密标准汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点。
AES设计有三个密钥长度:128,192,256位，相对而言，AES的128密钥比DES的56密钥强1021倍[2]。
AES算法主要包括三个方面：轮变化、圈数和密钥扩展。
AES 是一个新的可以用于保护电子数据的加密算法。
明确地说，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。
与公共密钥密码使用密钥对不同，对称密钥密码使用相同的密钥加密和解密数据。
通过分组密码返回的加密数据的位数与输入数据相同。
迭代加密使用一个循环结构，在该循环中重复置换（permutations ）和替换(substitutions）输入数据。
Figure 1 显示了AES 用192位密钥对一个16位字节数据块进行加密和解密的情形。
Figure 1 部分数据AES算法概述AES 算法是基于置换和代替的。
置换是数据的重新排列，而代替是用一个单元数据替换另一个。
AES 使用了几种不同的技术来实现置换和替换。
为了阐明这些技术，让我们用Figure 1 所示的数据讨论一个具体的AES 加密例子。
下面是你要加密的128位值以及它们对应的索引数组：00 11 22 33 44 55 66 77 88 99 aa bb cc dd ee ff0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 12 13 14 15192位密钥的值是:00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 11 12 13 14 15 16170 1 2 3 4 5 67 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23Figure 2 S-盒（Sbox ）当AES 的构造函数（constructor）被调用时，用于加密方法的两个表被初始化。
第一个表是代替盒称为S-盒。
它是一个16×16的矩阵。
S-盒的前五行和前五列如Figure 2 所示。
在幕后，加密例程获取该密钥数组并用它来生成一个名为w[]的密钥调度表，Figure 3 所示。
Figure 3 密钥调度表（Key Sched）w[] 最初的Nk (6) 行被作为种子，用原始密钥值（0x00 到0x17）。
剩余行从种子密钥来产生。
变量Nk 代表以32 位字为单位的种子密钥长度。
稍后我分析AES 实现时你将清楚地看到w[] 是怎样产生的。
关键是这里现在有许多密钥使用而不只是一个。
这些新的密钥被称为轮密钥（round keys）以将它们与原始种子密钥区别开来。
Figure 4 State （态）数组AES 加密例程开始是拷贝16 字节的输入数组到一个名为 State （态）的4×4 字节矩阵中。
（参见Figure 4）。
AES 加密算法取名为Cipher，它操作State[]，其过程描述的伪代码参见Figure 5 。
在规范中，加密算法实现的一个预备的处理步骤被称为AddRoundKey（轮密钥加）。
AddRoundKey 用密钥调度表中的前四行对State 矩阵实行一个字节一个字节的异或（XOR）操作，并用轮密钥表w[c,r] 异或输入State[r,c]。
举个例子，如果State 矩阵的第一行保存的字节是{ 00, 44, 88, cc }，第一列密钥调度表是{ 00, 04, 08, 0c }，那么新的State[0,2] 值是用w[2,0]( 0x08 或0x80 )异或State[0,2](0x88)的结果：1 0 0 0 1 0 0 00 0 0 0 1 0 0 0 XOR1 0 0 0 0 0 0 0AES 算法的主循环对State 矩阵执行四个不同的操作，在规范中被称为SubBytes（字节替换）、ShiftRows（行位移变换）、MixColumns（列混合变换）和AddRoundKey。
除了每次循环AddRoundKey 都被调用并使用密钥调度表的下面四行外，AddRoundKey 与预备处理步骤中的AddRoundKey相同。
SubBytes 例程是一个代替操作，它将State 矩阵中的每个字节替换成一个由Sbox 决定的新字节。
比如，如果State[0,1]的值是0x40 如果你想找到它的代替者，你取State[0,1] 的值(0x40) 并让x 等于左边的数字(4)并让y 等于右边的数字(0)。
然后你用x 和y 作为索引进到Sbox 表中寻找代替值，如Figure 2 所示。
ShiftRows 是一个置换操作，它将State 矩阵中的字节向左旋转。
Figure 6 示范了ShiftRows 如何操作State[]。
State 的第0行被向左旋转0个位置，State 的第1行被向左旋转1个位置，State 的第2行被向左旋转2个位置，而State 的第3行被向左旋转3个位置。
Figure 6 对State 进行ShiftRows 操作MixColumns 是一个代替操作，它是理解AES 算法时最具技巧（或者说是最需要动脑筋的部分）的部分。
它用State 字节列的值进行数学域加和域乘的结果代替每个字节。
我将在下一节中详细解释专门的域加和域乘细节。
假设State[0,1] 的值是0x09，并且列1上的其它值分别为0x60，0xe1 和0x04，那么State[0,1]的新值计算如下：[cpp]view plaincopy1.State[0,1] = (State[0,1] * 0x01) + (State[1,1] * 0x02) +(State[2,1] * 0x03) +(State[3,1] * 0x01)= (0x09 * 0x01) +(0x60 * 0x02) + (0xe1 * 0x03) +(0x04 * 0x01)= 0x57此处加法和乘法是专门的数学域操作，而不是平常整数的加法和乘法。
SubBytes、ShiftRows、MixColumns 和AddRoundKey 四个操作在一个执行Nr 次的循环里被调用，Nr 为给定密钥大小的轮数减1。
加密算法使用的轮数要么是10，12，要么是14，这依赖于种子密钥长度是128位、192 位还是256 位。
在这个例子中，因为Nr 等于12，则这四个操作被调用11次。
该迭代完成后，在拷贝State 矩阵到输出参数前，加密算法调用SubBytes、ShiftRows 和AddRoundKey 后结束。
大致说来，AES 加密算法的核心有四个操作。
AddRoundKey 使用从种子密钥值中生成的轮密钥代替 4 组字节。
SubBytes 替换用一个代替表替换单个字节。
ShiftRows 通过旋转4字节行的 4 组字节进行序列置换。
MixColumns 用域加和域乘的组合来替换字节。
有限域GF(28)的加法和乘法正如你所看到的，AES 加密算法使用相当简单明了的技术来代替和置换，除MixColumns 例程以外。
MixColumns 使用特殊的加法和乘法。
AES 所用的加法和乘法是基于数学（译者注：近世代数）的域论。
尤其是AES 基于有限域GF(28)。
GF(28)由一组从0x00 到0xff 的256个值组成，加上加法和乘法，因此是(28)。
GF代表伽罗瓦域，以发明这一理论的数学家的名字命名。
GF(28) 的一个特性是一个加法或乘法的操作的结果必须是在{0x00 ... 0xff}这组数中。
虽然域论是相当深奥的，但GF(28)加法的最终结果却很简单。
GF(28) 加法就是异或（XOR）操作。
然而，GF(28)的乘法有点繁难。
正如你稍后将在C# 实现中所看到的，AES 的加密和解密例程需要知道怎样只用七个常量0x01、0x02、0x03、0x09、0x0b、0x0d 和0x0e 来相乘。
所以我不全面介绍GF(28)的乘法，而只是针对这七种特殊情况进行说明。
在GF(28)中用0x01的乘法是特殊的；它相当于普通算术中用1做乘法并且结果也同样—任何值乘0x01等于其自身。
现在让我们看看用0x02做乘法。
和加法的情况相同，理论是深奥的，但最终结果十分简单。
只要被乘的值小于0x80，这时乘法的结果就是该值左移1比特位。
如果被乘的值大于或等于0x80，这时乘法的结果就是左移1比特位再用值0x1b异或。
它防止了“域溢出”并保持乘法的乘积在范围以内。
一旦你在GF(28)中用0x02建立了加法和乘法，你就可以用任何常量去定义乘法。
用0x03做乘法时，你可以将0x03 分解为2的幂之和。
为了用0x03 乘以任意字节b，因为0x03 = 0x02 + 0x01，因此：b * 0x03 = b * (0x02 + 0x01) = (b * 0x02) + (b * 0x01) 这是可以行得通的，因为你知道如何用0x02 和0x01 相乘和相加，同哩，用0x0d去乘以任意字节b可以这样做：[cpp]view plaincopy1. b * 0x0d2. = b * (0x08 + 0x04 + 0x01)3. = (b * 0x08) + (b * 0x04) + (b * 0x01)4. = (b * 0x02 * 0x02 * 0x02) + (b * 0x02 * 0x02) + (b *0x01)在加解密算法中，AES MixColumns 例程的其它乘法遵循大体相同的模式，如下所示：[cpp]view plaincopy1. b * 0x092. = b * (0x08 + 0x01)3. = (b * 0x02 * 0x02 * 0x02) + (b * 0x01)b * 0x0b4. = b * (0x08 + 0x02 + 0x01) = (b * 0x02 * 0x02 * 0x02)+ (b * 0x02) + (b * 0x01)b * 0x0e5. = b * (0x08 + 0x04 + 0x02)6. = (b * 0x02 * 0x02 * 0x02) + (b * 0x02 * 0x02) + (b *0x02)总之，在GF(28)中，加法是异或操作。