AES加密算法

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是一种对称加密算法，用于保护电子数据的安全。它由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年发布，取代了过时的DES（Data Encryption Standard）。

AES基本特性

1. 对称加密：加密和解密使用相同的密钥。
2. 分组加密：每次处理固定长度的数据块（128位，即16字节）。
3. 密钥长度：支持128位、192位和256位密钥，对应不同安全性级别。
4. 轮数：根据密钥长度决定轮数：

• 128位密钥：10轮
• 192位密钥：12轮
• 256位密钥：14轮

二、AES加密流程

1. 初始变换

2. 主轮循环

SubBytes（字节代换）

通过16 × 16 的S盒（非线性替换表）将每个字节替换为另一个字节，提供混淆

ShiftRows（行移位）

将状态矩阵（4×4字节）的每一轮循环左移不同偏移量（第0行：不移位、第1行：左移1字节、第2行：左移2字节、第3行：左移3字节）实现扩散。

MixColumns（列混淆）

对输入的矩阵左乘一个给定的4×4矩阵，进一步增加扩散性

AddRoundKey（轮密钥加）

当前状态矩阵与轮密钥按位异或

3.最终轮

最后一轮仅执行字节代换、行移位、轮密钥加

4.密钥扩展

从主密钥生成多轮子密钥（每个子密钥128位）：

1. 初始分组

主密钥按列填充为4×N矩阵（N=4/6/8对应128/192/256位密钥）。
以128bit密钥为例：

• 主密钥（128bit）被划分为4个32bit字，记为w[0] ~ w[3]
• 需要生成44个字（即4 × （10+1）），供11轮含初始轮使用

1. 递归生成后续字

• 情况1：若i不是4的倍数，则w[i] = w[i-4] ⊕ w[i-1]
• 情况2：若i是4的倍数，则w[i] = w[i-4] ⊕ T(w[i-1])

T操作

• 字循环：将一个字中的4个字节循环左移1个字节。即 将输入字[b0,b1,b2,b3]——->[b1,b2,b3,b4]
• 字节代换：对字循环的结果使用S盒进行字节代换
• 轮常量异或：前两步的结果同轮常量Rcon[j] 进行异或，其中j表示轮数

1. 生成子密钥

扩展后的44个字接每4个分组，形成11个子密钥

AES优缺点

1. 优点

• 安全性高：AES 被认为是最强的加密标准之一，对各种攻击，尤其是暴力攻击的抵抗力强。较长的密钥长度，如 AES-256，几乎不受当前技术的暴力攻击影响，能为数据提供高级别的安全保护。
• 高效性：在硬件和软件环境中都能高效实现，加密和解密速度快，能够快速处理大量的数据，适合对实时性要求较高的加密场景，如无线通信、云存储、数据库、移动应用程序等中的数据加密。
• 灵活性：支持 128、192 和 256 位的密钥大小，用户可根据所需的速度和安全性平衡选择密钥长度。
• 适应性强：具有跨行业和设备的适应性，已成为全球标准，被广泛应用于各个行业，如金融、医疗保健、政府和技术等领域，能为各种设备和系统提供可靠的安全性。

1. 劣势：

• 密钥管理复杂。因为加密和解密使用同一密钥，在多用户通信场景下，密钥的生成、注入、存储、管理、分发等难度较大，一旦密钥泄露，加密信息将面临风险