揭开 AES 加密算法的面纱：从基础到高级 (aes加解密算法实现)

引言

高级加密标准（AES）是一种对称分组密码，由美国国家标准与技术研究院（NIST）于 2001 年发布，旨在取代使用时间较长的数据加密标准（DES）。AES是一种安全可靠的算法，广泛应用于各种应用，包括数据保护、身份验证和通信加密。

AES 的基础

AES是一种块密码，这意味着它一次对固定大小的数据块进行操作，对于 AES 来说这个大小是 128 位。AES 也支持三种不同的密钥长度：128 位、192 位和 256 位。AES 的核心操作称为轮函数。轮函数将输入的 128 位数据块作为输入，并对其进行一系列转换，包括：字节替换：将每个字节替换为 S 盒中的另一个字节，S 盒是一个非线性变换，提供混淆。行移位：循环移动各行的数据字节，提供扩散。列混合：将每个列的字节进行线性变换，进一步增加扩散。密钥加：对数据块中的每个字节使用轮密钥进行 XOR 操作，轮密钥是从原始密钥派生的。AES 使用 9 到 14 轮，具体取决于密钥长度。每轮的轮密钥都是不同的，并且通过一个称为密钥扩展算法的过程从原始密钥派生。

AES 的高级概念

除了基本原理之外，AES 还涉及一些更高级的概念，包括：加密模式：加密模式指定如何使用 AES 来加密数据。一些常见的模式包括电子密码本（ECB）、密码块链接（CBC）和计数器（CTR）。填充：在加密消息时，数据块可能不会正好为128 位的倍数。因此，需要使用填充技术来填充额外的位。初始化向量（IV）：IV 是一个随机值，用于启动加密过程。它确保即使使用相同的密钥，每次加密的数据块也不同。

AES 加解密算法实现

AES 算法可以在各种编程语言中实现。以下是用 Python 实现的简单 AES 加密和解密算法示例：```pythonimport Crypto.Cipher.AESdef encrypt(plaintext, key, iv):cipher = Crypto.Cipher.AES.new(key, Crypto.Cipher.AES.MODE_CBC, iv)return cipher.encrypt(plaintext)def decrypt(ciphertext, key, iv):cipher = Crypto.Cipher.AES.new(key, Crypto.Cipher.AES.MODE_CBC, iv)return cipher.decrypt(ciphertext)```

AES 的安全性

AES 是一种高度安全的算法，至今尚未被破译。其安全性基于：密钥长度：密钥长度决定了算法的抗暴力破解能力。AES 支持 128 位、192 位和 256 位密钥长度。轮数：轮数越多，算法的安全性就越高。AES 使用 9 到 14 轮，具体取决于密钥长度。轮密钥：轮密钥是算法的核心。它们通过密钥扩展算法从原始密钥派生，增加算法的安全性。

AES 的应用

AES 广泛应用于各种领域，包括：数据保护：加密硬盘驱动器、文件和数据库。身份验证：加密密码和生物特征数据。通信加密：加密电子邮件、即时消息和语音通话。金融交易：加密信用卡交易和电子资金转账。

结论

AES 是一种强大而安全的加密算法，广泛应用于保护敏感数据。其基础原理、高级概念和实现细节使其成为各种应用程序的理想选择。随着技术不断发展，AES 预计将继续在数据安全领域发挥重要作用。

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加密算法之AES

AES采用分组密码体制，首先将明文分成以16个字节长度为基准字节段，如果最后不足16字节则同样使用填充。然后分组对每段字节段进行加密得到密文，再将最后得到的密文拼接在一起形成最终的密文。AES算法的密钥长度可以分为128位，256位，512位。

整个加密过程如下图所示:

功能实现，在客户端中将明文进行AES加密后通过TCP链接发送至另一个客户端，另一端通过密钥对密文进行解密得到明文

AES算法原理

AES加密过程是在一个4×4的字节矩阵上运作，这个矩阵又称为“体（state）”，其初值就是一个明文区块（矩阵中一个 元素大小就是明文区块中的一个Byte）。 （Rijndael加密法因支持更大的区块，其矩阵行数可视情况增加）加密时， 各轮AES加密循环（除最后一轮外）均包含4个步骤： 矩阵中的各字节通过一个8位的S-box进行转换。 这个步骤提供了加密法非线性的变换能力。 S-box与GF（28）上的乘法反元素有关，已知具有良好的非线性特性。 为了避免简单代数性质的攻击，S-box结合了乘法反元素及一个可逆的仿射变换矩阵建构而成。 此外在建构S-box时，刻意避开了固定点与反固定点，即以S-box替换字节的结果会相当于错排的结果。 AES算法中的S盒如图2.2所示 例如一个字节为0x19，经过S盒变换查找n(1,9) = 0xd4,所以就替换为0xd4。 ShiftRows描述矩阵的行操作。 在此步骤中，每一行都向左循环位移某偏移量。 在AES中（区块大小128位），第一行维持不变，第二行里的每个字节都向左循环移动一格。 同理，第三行及第四行向左循环位移的偏移量就分别是2和3。 经过ShiftRows之后，矩阵中每一竖列，都是由输入矩阵中的每个不同列中的元素组成。 在MixColumns步骤，每一列的四个字节通过线性变换互相结合。 每一列的四个元素分别当作 的系数，合并即为GF（28）中的一个多项式，接着将此多项式和一个固定的多项式在modulo下相乘。 此步骤亦可视为Rijndael有限域之下的矩阵乘法。 MixColumns函数接受4个字节的输入，输出4个字节，每一个输入的字节都会对输出的四个字节造成影响。 因此ShiftRows和MixColumns两步骤为这个密码系统提供了扩散性。 AES算法利用外部输入密钥K(密钥串的字数为Nk),通过密钥的扩展程序得到共计4(Nr+1)字的扩展密钥。 它涉及如下三个模块: (1)位置变换(rotword)——把一个4字节的序列[A,B,C,D]变化成[B,C,D,A]； (2)S盒变换(subword)——对一个4字节进行S盒代替； (3)变换Rcon[i]——Rcon[i]表示32位比特字[xi-1,00,00,00]。 这里的x是（02），如 Rcon[1]=[]；Rcon[2]=[]；Rcon[3]=[]……　 扩展密钥的生成：扩展密钥的前Nk个字就是外部密钥K；以后的字W[[i]]等于它前一个字W[[i-1]]与前第Nk个字W[[i-Nk]]的“异或”,即W[[i]]=W[[i-1]]W[[i- Nk]]。 但是若i为Nk的倍数,则W[i]=W[i-Nk]Subword(Rotword(W[[i-1]]))Rcon[i/Nk]。

aes算法步骤

aes算法由四个不同的变换组成，包括一个置换和三个替代：

字节代替(SubBytes)：用一个S盒完成分组的字节到字节的代替。

行移位(ShiftRows):一个简单的置换。

列混淆(MixColumns)：利用域GF(28)上的算术特性的一个代替。

轮密钥加(AddRoundKey):当前分组和扩展密钥的一部分进行按位XOR(异或)。

输入的密钥被扩展成由44个32位子所组成的数组w[i],由上图可知，每轮有四个不同的字(128位)作为该轮到密钥。对加密和解密的操作，算法由轮密钥加开始，接着执行9轮迭代运算，每轮都包含所有4个阶段的代替，接着是第10轮的三个阶段。仅仅在轮密钥加阶段使用密钥。由于这个原因，该算法以轮密钥加开始，以轮密钥加结束。

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