针对AES加密和解密过程实现的不对称性，对其仿射变换和列混合运算的变换常量进行优化，给出一种改进的AES。除了密钥安排顺序，改进后的AES加解密实现过程都是对称的，在计算列混合和逆列混合时仅需要2次Xtime乘法和4次加法运算。并且加密和解密可共享同样的实现资源，有效降低了软硬件实现的代价。
### 一种具有最小实现代价的AES改进方法
#### 概述
高级加密标准（AES）作为一种广泛应用的数据加密算法，在信息安全领域占据着重要的地位。然而，AES加密与解密过程的不对称性使得其实现在时间和空间成本上存在一定的挑战。为了解决这一问题，本文介绍了一种针对AES加密和解密过程实现不对称性的改进方法，该方法通过对仿射变换和列混合运算的变换常量进行优化，实现了加解密过程的高度对称性，从而降低了软硬件实现的成本。
#### AES加密算法简介
AES是一种对称加密算法，由比利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen设计，并于2001年被美国国家标准与技术研究院（NIST）采纳为新的加密标准。AES支持128位、192位和256位的密钥长度，其加密过程包括多个循环的替换和置换操作，以确保数据的安全性。
#### 加密与解密过程的不对称性分析
AES的加密和解密过程在结构上是相似的，但并非完全相同。具体来说：
- **加密过程**主要包括四个步骤：字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混合（MixColumns）以及密钥加（AddRoundKey）。
- **解密过程**则包含字节逆替代（InvSubBytes）、行逆移位（InvShiftRows）、列逆混合（InvMixColumns）以及密钥加（AddRoundKey）。
其中，列混合和列逆混合步骤在数学上是不同的，这导致了加密和解密实现上的不对称性。这种不对称性不仅增加了软件实现的复杂度，也提高了硬件实现的成本。
#### 改进方法
为了克服AES加密和解密过程中的不对称性，本研究提出了一种改进方法，该方法主要集中在两个方面：
1. **仿射变换和列混合运算的变换常量优化**：
- 通过优化变换常量，可以将列混合和列逆混合步骤统一起来，使得加密和解密过程中只需要进行两次Xtime乘法和四次加法运算。
- 这样一来，不仅减少了运算次数，还简化了算法的实现过程，从而降低了实现成本。
2. **加解密过程的对称性增强**：
- 在密钥安排顺序保持不变的前提下，通过对加密和解密过程中的操作进行重新排列和优化，使得加密和解密实现过程高度对称。
- 这意味着加密和解密可以共享相同的实现资源，进一步降低了软硬件实现的代价。
#### 实现优势
- **资源共享**：改进后的AES允许加密和解密过程共享相同的实现资源，这对于嵌入式系统尤为重要，因为它可以减少存储器占用和提高处理效率。
- **降低复杂度**：通过减少必要的计算步骤，降低了算法的整体复杂度，特别是在硬件实现中，能够显著减少逻辑门的数量，降低功耗。
- **提高效率**：改进后的AES在执行加密和解密操作时速度更快，尤其是在资源受限的环境中表现更为突出。
#### 结论
本文提出的改进方法有效地解决了AES加密和解密过程中存在的不对称性问题，通过优化仿射变换和列混合运算的变换常量，实现了加密和解密过程的高度对称性。这种改进不仅降低了软硬件实现的成本，还提高了加密算法的运行效率。对于实际应用而言，这种方法提供了一个更高效、更具成本效益的选择，尤其是在对性能和资源有严格要求的场景下。
