密码学 - AES 结构

AES 由一系列链接操作组成，其中一些操作涉及用特定输出替换输入（替换），另一些操作则涉及重新排列位（置换）。

有趣的是，AES 所有计算都在字节而不是位上进行。因此，AES 将明文块的 128 位视为 16 个字节。这 16 个字节被排列成四列四行，以矩阵形式进行处理。

与 DES 不同，AES 中的轮数是可变的，并且取决于密钥的长度。AES 对 128 位密钥使用 10 轮，对 192 位密钥使用 12 轮，对 256 位密钥使用 14 轮。每一轮都使用不同的 128 位轮密钥，该密钥根据原始 AES 密钥计算得出。

AES 结构示意图如下所示：

密码需要 128 位或 16 字节的明文块大小。密钥长度可以是 16、24 或 32 字节（128、192 或 256 位）。根据密钥长度，算法的名称为 AES-128、AES-192 或 AES-256。

单个 128 位块作为加密和解密过程的输入。在 FIPS PUB 197 中，此块表示为 4 * 4 的字节方阵。在加密或解密的每个步骤中，此块都会被复制到 State 数组中，并更新该数组。在最后阶段之后，输出矩阵包含当前状态的副本。

加密过程

这里，我们仅限于描述 AES 加密的典型轮次。每一轮都包含四个子过程。第一轮过程如下图所示：

轮密钥使用 Rijndael 的分组密码调度表根据密码密钥计算得出。

这仅包含一个过程，即 Add_Round_Key。这里，对每个数据字节与轮密钥的一个字节执行 XOR 运算。

通过查找设计中给出的固定表 (S-box) 来替换 16 个输入字节。结果是四行四列的矩阵。

矩阵的四行中的每一行都向左移动。任何“掉落”的条目都重新插入到行的右侧。移位如下进行：

现在使用特殊的数学函数转换四字节的每一列。此函数以一列的四个字节作为输入，并输出四个全新的字节，这些字节替换原始列。结果是另一个新的矩阵，包含 16 个新字节。需要注意的是，在最后一轮中不执行此步骤。

矩阵的 16 个字节现在被视为 128 位，并与轮密钥的 128 位进行异或。如果这是最后一轮，则输出为密文。否则，将生成的 128 位解释为 16 个字节，然后我们开始另一轮类似的轮次。

AES 密文的解密过程类似于加密过程，但顺序相反。每一轮都包含四个以相反顺序进行的过程：

由于每一轮中的子过程都是相反的，因此与 Feistel 密码不同，加密和解密算法需要单独实现，尽管它们密切相关。

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