AES加密方法的讨论
姓名：贾泽宇学号：912106840226
AES（The Advanced Encryption Standard）是美国国家标准与技术研究所用于加密电子数据的规范。
它被预期能成为人们公认的加密包括金融、电信和政府数字信息的方法。
本文展示了AES的概貌并解析了它使用的算法。
AES 是一个新的可以用于保护电子数据的加密算法。
明确地说，AES 是一个迭代的、对称密钥分组的密码，它可以使用128、192 和 256 位密钥，并且用 128 位（16字节）分组加密和解密数据。
与公共密钥密码使用密钥对不同，对称密钥密码使用相同的密钥加密和解密数据。
通过分组密码返回的加密数据的位数与输入数据相同。
迭代加密使用一个循环结构，在该循环中重复置换（permutations ）和替换(substitutions）输入数据。
AES 算法是基于置换和代替的。
置换是数据的重新排列，而代替是用一个单元数据替换另一个。
AES 使用了几种不同的技术来实现置换和替换。
为了阐明这些技术，我们讨论一个具体的 AES 加密例子。
下面是你要加密的128位值以及它们对应的索引数组：
00 11 22 33 44 55 66 77 88 99 aa bb cc dd ee ff 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
192位密钥的值是：
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 11 12 13 14 15 16 17 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Figure 2 S-盒（Sbox ）
当 AES 的构造函数（constructor）被调用时，用于加密方法的两个表被初始化。
第一个表是代替盒称为S-盒。
它是一个16×16的矩阵。
S-盒的前五行和前五列如 Figure 2 所示。
在幕后，加密例程获取该密钥数组并用它来生成一个名为w[]的密钥调度表，Figure 3 所示。
Figure 3 密钥调度表（Key Sched）
w[] 最初的 Nk (6) 行被作为种子，用原始密钥值（0x00 到0x17）。
剩余行从种子密钥来产生。
变量 Nk 代表以 32 位字为单位的种子密钥长度。
稍后分析w[] 是怎样产生的。
关键是这里现在有许多密钥使用而不只是一个。
这些新的密钥被称为轮密钥（round keys）以将它们与原始种子密钥区别开来。
Figure 4 State （态）数组
AES 加密例程开始是拷贝 16 字节的输入数组到一个名为 State （态）的 4×4 字节矩阵中。
（参见 Figure 4）。
AES 加密算法取名为 Cipher，它操作 State[]，其过程描述的伪代码参见Figure 5。
在规范中，加密算法实现的一个预备的处理步骤被称为 AddRoundKey（轮密钥加）。
AddRoundKey 用密钥调度表中的前四行对 State 矩阵实行一个字节一个字节的异或（XOR）操作，并用轮密钥表 w[c,r] 异或输入 State[r,c]。
举个例子，如果 State 矩阵的第一行保存的字节是{ 00, 44, 88, cc }，第一列密钥调度表是{ 00, 04, 08, 0c }，那么新的 State[0,2] 值是用 w[2,0]( 0x08 或 0x80 )异或 State[0,2](0x88)的结果：
1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 XOR 1 0 0 0 0 0 0 0
AES 算法的主循环对 State 矩阵执行四个不同的操作，在规范中被称为 SubBytes（字节替换）、ShiftRows（行位移变换）、MixColumns（列混合变换）和 AddRoundKey。
除了每次循环 AddRoundKey 都被调用并使用密钥调度表的下面四行外，AddRoundKey 与预备处理步骤中的 AddRoundKey 相同。
SubBytes 例程是一个代替操作，它将 State 矩阵中的每个字节替换成一个由 Sbox 决定的新字节。
比如，如果 State[0,1]的值是 0x40 如果你想找到它的代替者，你取 State[0,1] 的值 (0x40) 并让 x 等于左边的数字(4)并让 y 等于右边的数字(0)。
然后你用 x 和 y 作为索引进到 Sbox 表中寻找代替值，如 Figure 2 所示。
ShiftRows 是一个置换操作，它将 State 矩阵中的字节向左旋转。
Figure 6 示范了ShiftRows 如何操作 State[]。
State 的第0行被向左旋转0个位置，State 的第1行被向左旋转1个位置，State 的第2行被向左旋转2个位置，而 State 的第3行被向左旋转3个位置。
Figure 6 对 State 进行 ShiftRows 操作
MixColumns 是一个代替操作，它是理解 AES 算法时最具技巧（或者说是最需要动脑筋的部分）的部分。
它用 State 字节列的值进行数学域加和域乘的结果代替每个字节。
我将在下一节中详细解释专门的域加和域乘细节。
假设 State[0,1] 的值是0x09，并且列1上的其它值分别为 0x60，0xe1 和 0x04，那么State[0,1]的新值计算如下：
State[0,1] = (State[0,1] * 0x01) + (State[1,1] * 0x02) +(State[2,1] * 0x03) +(State[3,1] * 0x01) = (0x09 * 0x01) + (0x60 * 0x02) + (0xe1 * 0x03) +(0x04 * 0x01) = 0x57
此处加法和乘法是专门的数学域操作，而不是平常整数的加法和乘法。
SubBytes、ShiftRows、MixColumns 和 AddRoundKey 四个操作在一个执行 Nr 次的循环里被调用，Nr 为给定密钥大小的轮数减 1。
加密算法使用的轮数要么是10，12，要么是14，这依赖于种子密钥长度是128位、192 位还是 256 位。
在这个例子中，因为 Nr 等于12，则这四个操作被调用11次。
该迭代完成后，在拷贝 State 矩阵到输出参数前，加密算法调用SubBytes、ShiftRows 和AddRoundKey 后结束。
大致说来，AES 加密算法的核心有四个操作。
AddRoundKey 使用从种子密钥值中生成的轮密钥代替 4 组字节。
SubBytes 替换用一个代替表替换单个字节。
ShiftRows 通过旋转 4字节行的 4 组字节进行序列置换。
MixColumns 用域加和域乘的组合来替换字节。
