AES加密算法原理(图文).pdf

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1、标准实用 文案大全 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 AES1。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

2、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 (sub

3、stitutions）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 1

4、0 11 12 13 14 15 192位密钥的值是 : 标准实用 文案大全 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 11 12 13 14 15 16 170 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Figure 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 1616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

5、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

6、 （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 。 标准实用 文案大全 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 wc,r 异或 输入 Stater,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

7、的 State0,2 值是用 w2,0( 0x08 或 0x80 ) 异或 State0,2(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 0 AES 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

8、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 State0,1的值是 0x40 如果你想找到它的代替者，你取 State0,1 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

9、 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 State0,1 的值是 0x09，并且列 1 上的其它值分别为 0x60 ， 0xe1 和 0x04 ，那么 State0,1的新值计算如下： cppview plaincopy 1

10、. State0,1 = (State0,1 * 0x01) + (State1,1 * 0x02) +(State2,1 * 0x03) +(State3,1 * 0x01)= (0x09 * 0x 01) + (0x60 * 0x02) + (0xe1 * 0x03) +(0x04 * 0x01)= 0x57 标准实用 文案大全 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

11、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

12、。 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

13、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

14、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

15、加，同哩，用0x0d 去乘以 任意字节 b 可以这样做： 标准实用 文案大全 cppview plaincopy 1. b * 0x0d 2.= b * (0x08 + 0x04 + 0x01) 3.= (b * 0x08) + (b * 0x04) + (b * 0x01) 4.= (b * 0x02 * 0x02 * 0x02) + (b * 0x02 * 0 x02) + (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： cppview plaincopy 1. b * 0x09 2.= b * (0x08 + 0x01

16、) 3.= (b * 0x02 * 0x02 * 0x02) + (b * 0x01)b * 0x0b 4.= b * (0x08 + 0x02 + 0x01) = (b * 0x02 * 0 x02 * 0x02) + (b * 0x02) + (b * 0x01)b * 0x0e 5.= b * (0x08 + 0x04 + 0x02) 6.= (b * 0x02 * 0x02 * 0x02) + (b * 0x02 * 0 x02) + (b * 0x02) 总之，在 GF(28)中，加法是异或操作。 其乘法将分解成加法和用0x02 做的乘法，而用 0x02 做的乘法是一个有条件的左移1

17、 比特位。 AES规范中包括 大量 有关 GF(28)操作的附加信息。 密钥扩展 AES加密和解密算法使用了一个由种子密钥字节数组生成的密钥调度表。 AES规范中称之为密钥扩展例程（KeyExpansion）。从本质上讲，从一个原始密 钥中生成多重密钥以代替使用单个密钥大大增加了比特位的扩散。虽然不是无法 抵御的困难，但理解 KeyExpansion 仍是 AES 算法中的一个难点。KeyExpansion 例程高级伪代码如下所示： KeyExpansion(byte key, byte4 w) copy the seed key into the first rows of w for ea

18、ch remaining row of w use two of the previous rows to create a new row “用前面两行来产生一个新行”（“use two of the previous rows to create a new row”）的例程用到了两个子例程， RotWord 和 SubWord 以及一个名为“ Rcon ”的常数表（作为“轮常数”）。让我们先来 逐个看一下这三东西，然后再回到整个 KeyExpansion 的讨论中来。 标准实用 文案大全 RotWord 例程很简单。它接受一个4 个字节的数组并将它们向左旋转一个 位置。因为轮调度表 w

19、有四列， RotWord 将 w 的 1 行左旋。注意 KeyExpansion 使用的这个 RotWord 函数与加密算法使用的ShiftRows （行 位移变换）例程非常相似，只是它处理的是单行密钥调度 w ，而不是整个加 密状态表 State。 SubWord 例程使用替换表 Sbox 对一给定的一行密钥调度表 w 进行逐 字节替换。 KeyExpansion 操作中的替换实际上就像在加密算法中的替换一样。 被代替的输入字节被分成 (x,y) 对，它被当作进入替换表 Sbox 的索引。举例 来说， 0x27 的代替结果是 x 2 和 y 7，并且 Sbox2,7 返回 0xcc 。 Ke

20、yExpansion 例程使用一个被称为轮常数表的数组 Rcon 。这些常数都 是 4 个字节，每一个与密钥调度表的某一行相匹配。AES 的 KeyExpansion 例程 需要 11 个轮常数。你可以在 Figure 7 中看到这些常数清单。 每个轮常数的最左边的字节是GF(28)域中 2 的幂次方。 它的另一个表示方 法是其每个值是前一个值乘上0x02，正如前一部分讨论 GF(28) 乘法 时所描述 的那样。注意 0x80 0x02 = 0x1b 是 0x80 左移 1 个比特位后紧接着与 0x1b 进行异或，如前所述。 现在让我们更进一步看看 KeyExpansion 内幕中的循环。这里

21、所用的伪码 比以前更为详细，这个循环是： cppview plaincopy 1. for(row = Nk; row (4 * Nr+1); +row) 2. 3.temp = wrow-1 4.if(row % Nk = 0) 5.temp = SubWord(RotWord(temp) xor Rconrow/Nk 6.elseif(Nk = 8 and row % Nk = 4) temp = SubWord(temp) wrow = wrow-Nk xor temp 7. 先不要去看 if子句，你将看到密钥调度表 w 的每一行都是前面一 行与行 Nk 异或的结果（ 4, 6, 或 8

22、 取决于密钥的长度）。 if条件的第一部分 用 SubWord、RotWord 以及与轮常数的异或修改密钥调度表的每个第4、第 6 或 第 8 行，取决于是否密钥的长度是128、192 或 256 位。这个条件的第二部分将 修改行 12 、20 和 28 等等对于 256 位密钥而言每一个第 8 行都将添 加密钥调度额外的可变性。 让我们用本文开头所举的例子来考察 KeyExpansion 是如何开始的。种子 密钥是 192-bit / 6-word 值： 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 11 12 13 14 15 16

23、17 密钥调度字节表 w 的维数是 4 列并且 Nb (Nr + 1) 等于 4 (12 + 1)，或 52 行。KeyExpansion 将种子密钥的 标准实用 文案大全 值拷贝到密钥调度字节表 w 的第一行。因为我的种子密钥是 192 位（24 字 节），并且 w 表总是 4 列，在这种情况下KeyExapansion 将种子密钥拷贝 到 w 的前面 6 行。现在让我们看看 KeyExapansion 例程是如何填充密钥调 度表其余部分的。在我的例子里，第一个被计算的行是第 6 行 ，因为第 0-5 行已被种子密钥的值填上了： temp = wrow-1 = 14 15 16 17 条件

24、(row % Nk = 0) 为真，因此首先 RotWord 子程序被应用： temp = 15 16 17 14 这时 SubWord 被应用： temp = 59 47 f0 fa 用 Rconrow / Nk = Rcon6 / 6 = 01 00 00 00 进行异或： temp = 58 47 f0 fa 这时用 wrow-Nk = w6-6 = 00 01 02 03 异或，产生了下面结果： w6 = 58 46 f2 f9 密钥调度表 w 中其余所有行来重复这个过程本身。 总而言之， AES 加密和解密的一个重要部分就是从最初的种子密钥中 生成多重轮密钥。这个 KeyExapan

25、sion 算法生成一个密钥调度并以某种方式进 行替代和置换，在这种方式中，加密和解密算法极其相似。 一. AES 对称加密 : AES加密 标准实用 文案大全 分组 二. 分组密码的填充 分组密码的填充 标准实用 文案大全 PKCS#5 填充方式 三. 流密码 四. 分组密码加密中的四种模式:3.1 ECB 模式 标准实用 文案大全 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； 3.2 CBC 模式： 标准实用 文案大全 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 S

26、SL 、 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 3.3 CFB模式： 标准实用 文案大全 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; 标准实用 文案大全 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; 3.4 OF

27、B模式： 下面是示例代码： javaview plaincopy 1. packagemini.code.test.t20120810; 2. 3. importjavax.crypto.*; 4. importjavax.crypto.spec.*; 5. 6. publicclassAES 7. 8.publicstaticString asHex(bytebuf) 9. 10.StringBuffer strbuf = newStringBuffer(buf. length * 2); 11.inti; 标准实用 文案大全 12.for(i = 0; i buf.length; i+)

28、13. 14.if( int ) bufi 16.strbuf.append(Long.toString(in t ) bufi 17. 18.returnstrbuf.toString(); 19. 20. 21.publicstaticvoidmain(String args) throwsExc eption 22. 23. 24.String message = “ 这是个加密的例子 “ ; 25.System.out.println(“ 原 文: “+ message); 26.System.out.println(“ 原文转换格式显示： “+ asHex(message.getBy

29、tes();/ string byte Hex 27./ 生成密码 28.KeyGenerator kgen = KeyGenerator.getInstance ( “AES“); / 获取密匙生成器 29.kgen.init(128); / 生成 128 位的 AES密码生成 器 30.SecretKey skey = kgen.generateKey();/ 生成 密匙 31.byte raw = skey.getEncoded();/ 编码格 式 32.SecretKeySpec skeySpec = newSecretKeySpec( raw, “AES“); / 生成一组扩展密钥，

30、并放入一个数组之中 33.Cipher cipher = Cipher.getInstance(“AES“); 34.cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec); / 用 ENCRYPT_MODE模式，用 skeySpec 密码组，生成 AES加密方法 35./ 加密message 36.byte encrypted = cipher.doFinal(message.ge tBytes();/ 加密 message 37.System.out.println(“ 加密 后: “+ encrypted);/ 打印密文 38.System.out.prin

31、tln(“ 密文转换格式后： “+ asHex(encrypted);/ 把密文转换成 16 进制格式 39./ 解密 标准实用 文案大全 40.cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skeySpec); 41.byte original = cipher.doFinal(encrypted); / 解密 42.String originalString = newString(original , “UTF8“); / 重新显示明文 43.System.out.println(“ 解密 后:“+ originalString); 44.System.out.println(“ 解密出的消息转换格式显 示:“+ asHex(original);/ byte 型原文 45. 46.