AES加密

AES加密

高级加密标准（AES，Advanced Encryption Standard）是一种对称密钥加密算法，用于保护敏感信息。它取代了原先的数据加密标准（DES），因为DES已经不再被认为足够安全

密钥是AES算法实现加密和解密的根本，对称加密对明文的加密和解密需要使用同一个密钥

AES支持三种长度的密钥：128位，192位，256位，对应AES128，AES192，AES256

填充

AES算法在对明文加密的时候，并不是把整个明文一股脑加密成一整段密文，而是把明文拆分成一个个独立的明文块，每一个明文块长度128bit，这些明文块经过AES加密器的复杂处理，生成一个个独立的密文块，这些密文块拼接在一起，就是最终的AES加密结果

基本步骤

1、填充分组：

AES算法在对明文加密的时候，并不是把整个明文一股脑加密成一整段密文，而是把明文拆分成一个个独立的明文块，每一个明文块长度128bit，这些明文块经过AES加密器的复杂处理，生成一个个独立的密文块，这些密文块拼接在一起，就是最终的AES加密结果

填充涉及以下三种填充模式：

NoPadding：不做任何填充，但是要求明文必须是16字节的整数倍

PKCS5Padding（默认）：如果明文块少于16个字节（128bit），在明文块末尾补足相应数量的字符，且每个字节的值等于缺少的字符数

比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节，则补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,6,6,6,6,6,6}

ISO10126Padding：如果明文块少于16个字节（128bit），在明文块末尾补足相应数量的字节，最后一个字符值等于缺少的字符数，其他字符填充随机数。

比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节，则可能补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,5,c,3,G,$,6}

2、密钥扩展：

密钥扩展是AES算法中的一个关键步骤，它负责将初始密钥扩展为每轮加密所需的轮密钥也叫子密钥（Round Keys）。AES支持三种密钥长度：128位、192位和256位，密钥扩展的细节会根据不同的密钥长度有所不同

密钥扩展的基本思想是利用初始密钥生成一系列的轮密钥，这些轮密钥将在加密的每一轮中与状态矩阵进行异或运算。密钥扩展包括以下主要步骤：

1. 轮常量生成（Round Constants）： 针对每一轮，生成一个固定的常量，用于与某一部分扩展密钥进行异或。

2. 子密钥生成（Key Schedule）： 将初始密钥分割成多个字，并对这些字进行一系列变换，生成每一轮所需的轮密钥。这个过程包括：

   • 初始轮密钥生成： 将初始密钥的字直接作为初始轮密钥。

   • 后续轮密钥生成： 初始轮密钥后面的每个字都通过一系列的变换生成。这个过程涉及字的旋转、S盒替代和与轮常量的异或运算。

不同密钥长度下，轮密钥的生成步骤和数量会有所不同。例如，128位密钥生成10轮的轮密钥，192位密钥生成12轮的轮密钥，256位密钥生成14轮的轮密钥。

密钥扩展的目的是引入密钥的复杂性，使得加密算法更加强大。它确保了每一轮加密使用的密钥都是唯一的，并且与初始密钥之间存在一定的复杂关系，提高了算法的安全性

3、初始轮加密（Initial Round）：

在第一轮中，将明文与轮密钥进行异或运算。

4、多轮加密：

除了最后一轮，其余每一轮都包括四个步骤：SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey。

• SubBytes： 这一步骤是通过一个称为S盒（Substitution Box）的查找表进行的。S盒是一个16×16的字节替代表，用于将输入的每个字节替换为预定义的字节。S盒的目的是引入非线性，增强算法的安全性。S盒中的元素是经过数学运算选定的，确保了一定的代替性和扩散性

• ShiftRows： 这一步骤涉及对AES状态矩阵的行进行位移操作。状态矩阵是一个4×4的字节矩阵，存储了输入数据。ShiftRows的目的是在不改变列的顺序的情况下，对状态矩阵的每一行进行循环左移。具体地：

  • 第1行不动。

  • 第2行左移1字节。

  • 第3行左移2字节。

  • 第4行左移3字节。

• MixColumns： 这一步骤对状态矩阵的每一列进行混淆操作。MixColumns使用一个特定的矩阵乘法，将每一列映射成一个新的列。这个步骤的目的是增加算法的混淆性质

• AddRoundKey： 在每一轮中，状态矩阵都与该轮的轮密钥进行异或操作。轮密钥是通过密钥扩展算法生成的

5、最后一轮

最后一轮没有MixColumns步骤，只包含SubBytes、ShiftRows、AddRoundKey。

6、加密完成：

经过多轮加密后，得到密文

AES算法是一个迭代的、对称的加密算法，其安全性依赖于选择的密钥长度。目前，128位的AES密钥仍然被认为足够安全，但对于更高级的安全需求，可以考虑使用192位或256位的密钥。 AES是一种快速、高效的加密算法，被广泛应用于安全通信和数据存储领域