AES算法 - 电子发烧友网

好的，我们来详细解释一下 AES 算法（高级加密标准）。

核心概念

身份： AES 是一种对称分组密码。
- 对称： 加密和解密使用同一个密钥。
- 分组密码： 它把固定长度的明文数据块（称为“分组”）一次性加密成密文分组。AES 使用的分组大小固定为 128 位（16字节）。
目标： 提供强安全性、高效性（软件和硬件实现）和灵活性（支持不同密钥长度）。
诞生与发展： 由比利时密码学家 Joan Daemen 和 Vincent Rijmen 设计，原名 Rijndael 算法。在 2001 年被美国国家标准与技术研究院 (NIST) 选为 DES 的替代者，成为新的联邦信息处理标准 (FIPS PUB 197)，并被全球广泛采用。

关键参数：密钥长度

AES 定义了三种主要的密钥长度，它们决定了算法的轮数和安全性强度：

AES-128： 密钥长度 128 位（16字节） -> 10 轮加密
AES-192： 密钥长度 192 位（24字节） -> 12 轮加密
AES-256： 密钥长度 256 位（32字节） -> 14 轮加密

密钥越长，通常被认为越安全（抵抗暴力破解的能力越强），但计算开销也略大。

加密过程的核心步骤（针对一个 128 位数据块）

AES 加密过程由多轮（Rounds）组成（轮数取决于密钥长度）。每一轮（除了最后一轮稍有不同）都包含以下四个主要步骤：

SubBytes（字节替换 / S盒变换）：
- 将数据块中的每个字节，通过一个预先定义好的、非线性的替换表（S-Box） 进行替换。
- 作用： 引入非线性和混淆，是抵抗密码分析攻击的关键步骤。S-Box 的设计非常精妙，具有良好的数学特性。
ShiftRows（行移位）：
- 将数据块视为一个 4x4 的字节矩阵（状态矩阵）。
- 对矩阵的每一行进行循环左移位操作：
  - 第 0 行：不移位
  - 第 1 行：左移 1 个字节
  - 第 2 行：左移 2 个字节
  - 第 3 行：左移 3 个字节
- 作用： 打乱列中字节的顺序，提供扩散效果。让一个字节的变化扩散到不同的列中。
MixColumns（列混合）：
- 对状态矩阵的每一列进行操作。
- 将每一列视为一个 4 字节的向量，与一个固定的可逆多项式矩阵在伽罗瓦域 (GF(2^8)) 上做矩阵乘法。
- 作用： 在列内部混合字节，提供强大的扩散效果。让一个字节的变化扩散到它所在列的所有字节。
AddRoundKey（轮密钥加）：
- 将当前状态矩阵与对应轮次的轮密钥（Round Key） 进行按位异或 (XOR) 操作。
- 作用： 将密钥信息引入加密过程。轮密钥是从初始的主密钥通过密钥扩展（Key Expansion） 算法派生出来的。每一轮使用的轮密钥都不同。

完整加密流程

初始轮密钥加： 先将明文块与初始轮密钥（第 0 轮密钥）进行 AddRoundKey。
主循环轮（Nr-1 轮）：
- 对于 AES-128 (10轮)：执行 9 次完整的轮函数（SubBytes -> ShiftRows -> MixColumns -> AddRoundKey）。
最终轮：
- 执行一次不包含 MixColumns 的轮函数：SubBytes -> ShiftRows -> AddRoundKey。
- 输出即为密文块。

解密过程

解密过程本质上是加密过程的逆向操作，每一步操作都有对应的逆操作：

InvShiftRows（逆行移位）： 对行进行右循环移位（移位的位数与 ShiftRows 相同）。
InvSubBytes（逆字节替换）： 使用一个逆 S-Box 进行字节替换。
AddRoundKey： 这一步在解密中同样是异或操作（与加密时使用的轮密钥相同，但顺序相反）。
InvMixColumns（逆列混合）： 使用一个逆矩阵进行列变换（对应 MixColumns 的逆操作）。

完整解密流程（与加密顺序相反）

初始轮密钥加： 先将密文块与最终轮（第 Nr 轮）的轮密钥进行 AddRoundKey。
主循环轮（Nr-1 轮）：
- 对于 AES-128 (10轮)：执行 9 次完整的逆轮函数（InvShiftRows -> InvSubBytes -> AddRoundKey（使用第 Nr-1, Nr-2, ... 轮密钥） -> InvMixColumns）。
- 注意：在解密的主循环中，AddRoundKey 后面跟着 InvMixColumns。
最终轮：
- 执行一次不包含 InvMixColumns 的逆轮函数：InvShiftRows -> InvSubBytes -> AddRoundKey（使用初始的第 0 轮轮密钥）。
- 输出即为明文块。

密钥扩展

这是一个关键的预处理步骤。
它把用户提供的主密钥（128/192/256位）扩展成一系列用于每一轮 AddRoundKey 操作的轮密钥。
这个扩展过程也是分轮的，使用 S-Box 进行非线性变换，并引入轮常数 (Rcon) 来消除对称性，确保生成的轮密钥之间没有简单的关联。

为什么 AES 广泛使用且安全？

设计严谨： 基于坚实的数学基础（有限域理论），每个步骤都经过精心设计以提供混淆和扩散。
效率高： 在软件和硬件上都能高效实现。
灵活性： 支持三种密钥长度，满足不同安全需求。
公开透明： 设计过程完全公开，经过全球密码学界的广泛分析和审查。
标准化： 被 NIST 等权威机构认证为全球标准。
抵抗已知攻击： 截至目前，除了穷举（暴力破解）密钥外（对于128位及以上密钥长度，这在计算上不可行），没有已知的、显著优于穷举攻击的实际方法可以破解 AES。即使是侧信道攻击（如时序攻击、功耗分析）也有相应的对策（掩码技术等）来防范。

应用领域（无处不在！）

网络通信安全： HTTPS (SSL/TLS), VPN (如IPSec, OpenVPN), WiFi (WPA2, WPA3)。
文件/磁盘加密： BitLocker (Windows), FileVault (macOS), VeraCrypt, 许多加密压缩软件（zip, 7z）。
数据库加密： 保护数据库中的敏感字段。
应用程序安全： 保护配置文件、用户数据等。
虚拟货币： 部分加密货币钱包的加密。
安全协议基础： 众多安全协议的核心组件（如 SSH）。
移动通信： 移动网络（如 LTE/4G, 5G）中的安全性。
日常应用： 微信、支付宝等应用的通讯和数据安全保障中很可能用到 AES。

总结

AES 是现代密码学的基石之一。它通过多轮（10/12/14轮）操作（字节替换、行移位、列混合、轮密钥加），利用对称密钥，将固定大小的128位数据块转换成安全的密文。其严谨的设计、高效的实现、多种密钥长度选择以及经受住全球密码学界近二十年高强度分析的安全性，使其成为当今世界应用最广泛、最受信任的分组加密标准。只要密钥保管得当且有足够的长度（推荐使用 AES-256 应对未来的量子计算威胁），AES 提供的安全性是非常可靠的。