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AES加密算法的詳細(xì)介紹與實現(xiàn)

算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ? 來源:互聯(lián)網(wǎng) ? 作者:丁德輝 ? 2017-10-26 14:40 ? 次閱讀

我們是有追求的程序員,不能知其然不知其所以然。這一次,我來給大家講一講AES算法底層原理

上一期我們已經(jīng)對AES的總體加密流程進(jìn)行了介紹,在這里我們重新梳理一下:

1.把明文按照128bit拆分成若干個明文塊。

2.按照選擇的填充方式來填充最后一個明文塊。

3.每一個明文塊利用AES加密器和密鑰,加密成密文塊。

4.拼接所有的密文塊,成為最終的密文結(jié)果。

具體分成多少輪呢?

初始輪(Initial Round) 1次

普通輪Rounds) N次

最終輪(FinalRound)1次

上一期我們提到,AES的Key支持三種長度:AES128,AES192,AES256。Key的長度決定了AES加密的輪數(shù)。

除去初始輪,各種Key長度對應(yīng)的輪數(shù)如下:

AES128:10輪

AES192:12輪

AES256:14輪

不同階段的Round有不同的處理步驟。

初始輪只有一個步驟:

加輪密鑰(AddRoundKey)

普通輪有四個步驟:

字節(jié)代替(SubBytes)

行移位(ShiftRows

列混淆(MixColumns

加輪密鑰(AddRoundKey)

最終輪有三個步驟:

字節(jié)代替(SubBytes)

行移位(ShiftRows

加輪密鑰(AddRoundKey)

1.字節(jié)替代(SubBytes)

首先需要說明的是,16字節(jié)的明文塊在每一個處理步驟中都被排列成4X4的二維數(shù)組。

所謂字節(jié)替代,就是把明文塊的每一個字節(jié)都替代成另外一個字節(jié)。替代的依據(jù)是什么呢?依據(jù)一個被稱為S盒(Subtitution Box)的16X16大小的二維常量數(shù)組。

假設(shè)明文塊當(dāng)中a[2,2] = 5B(一個字節(jié)是兩位16進(jìn)制),那么輸出值b[2,2] = S[5][11]。

2.行移位(ShiftRows)

這一步很簡單,就像圖中所描述的:

第一行不變

第二行循環(huán)左移1個字節(jié)

第三行循環(huán)左移2個字節(jié)

第四行循環(huán)左移3個字節(jié)

3.列混淆(MixColumns)

這一步,輸入數(shù)組的每一列要和一個名為修補(bǔ)矩陣(fixed matrix)的二維常量數(shù)組做矩陣相乘,得到對應(yīng)的輸出列。

4.加輪密鑰(AddRoundKey)

這一步是唯一利用到密鑰的一步,128bit的密鑰也同樣被排列成4X4的矩陣。

讓輸入數(shù)組的每一個字節(jié)a[i,j]與密鑰對應(yīng)位置的字節(jié)k[i,j]異或一次,就生成了輸出值b[i,j]。

需要補(bǔ)充一點(diǎn),加密的每一輪所用到的密鑰并不是相同的。這里涉及到一個概念:擴(kuò)展密鑰(KeyExpansions)。

擴(kuò)展密鑰(KeyExpansions

AES源代碼中用長度 4 * 4 *(10+1) 字節(jié)的數(shù)組W來存儲所有輪的密鑰。W{0-15}的值等同于原始密鑰的值,用于為初始輪做處理。

后續(xù)每一個元素W[i]都是由W[i-4]和W[i-1]計算而來,直到數(shù)組W的所有元素都賦值完成。

W數(shù)組當(dāng)中,W{0-15}用于初始輪的處理,W{16-31}用于第1輪的處理,W{32-47}用于第2輪的處理 ......一直到W{160-175}用于最終輪(第10輪)的處理。

1.ECB模式

ECB模式(ElectronicCodebookBook)是最簡單的工作模式,在該模式下,每一個明文塊的加密都是完全獨(dú)立,互不干涉的。

這樣的好處是什么呢?

1.簡單

2.有利于并行計算

缺點(diǎn)同樣也很明顯:

相同的明文塊經(jīng)過加密會變成相同的密文塊,因此安全性較差。

2.CBC模式

CBC模式(Cipher Block Chaining)引入了一個新的概念:初始向量IV(Initialization Vector)。

IV是做什么用的呢?它的作用和MD5的“加鹽”有些類似,目的是防止同樣的明文塊始終加密成同樣的密文塊。

從圖中可以看出,CBC模式在每一個明文塊加密前會讓明文塊和一個值先做異或操作。IV作為初始化變量,參與第一個明文塊的異或,后續(xù)的每一個明文塊和它前一個明文塊所加密出的密文塊相異或。

這樣以來,相同的明文塊加密出的密文塊顯然是不一樣的。

CBC模式的好處是什么呢?

安全性更高

壞處也很明顯:

1.無法并行計算,性能上不如ECB

2.引入初始化向量IV,增加復(fù)雜度。


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  • AES加密算法
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原文標(biāo)題:漫畫:AES算法的底層原理

文章出處:【微信號:TheAlgorithm,微信公眾號:算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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