加密算法学习(1)-AES

前言 AES算法的所有操作都是在一个叫做状态(state)的二维数组上进行的 AES算法的输入输出长度，状态都是128bit，即16字节长度 AES加密过程 将要加密的内容复制到状态数组中 密钥加操作，初始化密钥 执行Nr次轮函数 将最终的状态数组复制到输出数组 密钥长度 轮数Nr AES-128 10 AES-192 12 AES-256 14 四个轮函数 SubBytes() 功能：将状态数组中的元素换成S-box中的值 替换方法：状态数组中的每个字节元素的高4位作为行号，低4位作为列号，对应S-box表格中的坐标，找到对应的元素进行替换 ShiftRows() AES，全称Advanced Encryption Standard，是一种广泛应用于现代密码学的块加密算法，具有高效、安全的特点。AES的设计基于Feistel结构，但采用了一些独特的改进，使得它在速度和安全性上都表现出色。AES的核心操作均在一个128位（16字节）的二维数组，称为状态矩阵上进行。 在AES加密过程中，首先将要加密的数据复制到状态矩阵中。接着，进行密钥加操作，即将用户提供的密钥与初始状态进行特定的组合。AES支持三种不同的密钥长度：128位（AES-128）、192位（AES-192）和256位（AES-256），对应的轮数分别为10轮、12轮和14轮。每一轮加密包含四个主要的非线性变换步骤： 1. **SubBytes**：这是一个字节替换过程，使用一个预定义的S-box（S盒）进行。S-box是一个8x8的查找表，状态矩阵中的每个字节被分解为高4位（行号）和低4位（列号），然后在S-box中找到对应的替换值，以此实现非线性的转换。 2. **ShiftRows**：此步骤用于增加状态矩阵的行移位。第一行保持不变，第二行向左移动1个字节，第三行向左移动2个字节，第四行向左移动3个字节。这种操作增强了矩阵的不同行之间的相关性。 3. **MixColumns**：这一步是列混淆操作，通过一个线性变换来混合状态矩阵的列，目的是增加列之间的依赖性，使得攻击者更难以破解。 4. **AddRoundKey**：在每一轮的将轮密钥与状态矩阵的每个字节进行异或操作。轮密钥由原始密钥通过一个称为密钥扩展的过程生成，确保了每一轮都有不同的密钥参与。 在所有轮操作结束后，最后一轮不执行MixColumns，而是再次进行AddRoundKey，将最后的轮密钥与状态矩阵异或，得到最终的加密结果。解密过程与加密过程类似，只是SubBytes和MixColumns步骤的顺序相反，并且使用的是逆S-box和逆MixColumns矩阵。 AES有五种常用的模式，适应不同应用场景的需求： 1. **电码本模式（ECB，Electronic Codebook）**：最简单也是最基础的模式，将明文分成16字节的块独立加密。然而，ECB模式的缺点在于相同的明文块会产生相同的密文块，不适用于数据重复的情况。 2. **密码分组链接模式（CBC，Cipher Block Chaining）**：CBC模式通过将每个明文块与上一密文块异或后加密，增加了数据的关联性，提高了安全性。但是，它需要一个初始向量（IV）来开始加密。 3. **计算器模式（CTR，Counter）**：CTR模式不直接加密明文，而是对一个计数器进行加密，然后用加密后的计数值与明文异或生成密文。CTR模式提供了流加密的特性，适合于大文件和实时数据的加密。 4. **密码反馈模式（CFB，Cipher Feedback）**：CFB模式将前一密文块的输出作为下一次加密的输入，这样任何对密文的修改都会影响到后续的加密结果。 5. **输出反馈模式（OFB，Output Feedback）**：OFB模式类似于CFB，但它使用加密的计数器值而不是上一次的密文作为下一次加密的输入。 理解并熟练掌握这些基本概念和操作是深入学习AES加密算法的关键，它们构成了现代信息安全的基础，为数据传输和存储提供了强大的保护。在实际应用中，开发者需要根据具体需求选择合适的加密模式，确保数据的安全性和隐私性。