AES算法原理理解

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原创最新推荐文章于 2026-07-30 11:05:48 发布 1.2k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

深入理解AES加密算法：原理与Python实现分组长度：AES处理固定长度的分组，通常为128位（16字节）。密钥长度：AES支持128位、192位和256位三种密钥长度。轮数：加密过程中的轮数取决于密钥长度，分别为10轮（128位密钥）、12轮（192位密钥）和14轮（256位密钥）。阅读详情

最近在逆向某APP，其关键字段在native进行了AES加密。由于AES种类繁多，且各个库有时候加密结果都不一样，一度不是很理解这个算法。趁着这个机会，对AES算法进行了详细的理解。

2000年10月，Nation Institute of Standards Technology宣布Rijndael算法当选AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）。Rijndael算法支持可变分组长度以及可变密钥长度，其分组密码可以独立的设置为32bit的任意倍，最小128bit，最大256bit。AES算法将分组长度固定为128bit，仅支持128、192、256位的密钥长度。

我们将128bit长度的分组称为块，AES加密以块为单位进行加密，对于长度大于128bit的数据，先对其进行填充处理，使其长度符合128bit的倍数，填充方式有多种，包括ZeroPadding（末尾添加0x0）、PKCS7/PKCS5（缺少y位就填充0xy）等。本文以AES-128-ECB模式加密16字节数据为例进行说明。

AES加密主要步骤有：

秘钥扩展（KeyExpansion）
字节代换（SubBytes）
行位移（ShiftRows）
列混合（MixColumns）
轮秘钥加（AddRoundKey）

其加密步骤用伪代码可以表示为：

AES_128_ECB_Encrypt(byte in[4*Nb], byte out[4*Nb], byte key[16]){
    dword dw = keyExpansion(key[16]);
    
    //AES的所有操作都是在state数组上进行的，在本章中是一个4*4的二维数组
    byte state[4,Nb];
    state = in;
    AddRoundKey(state, dw[0, Nb - 1]);
    
    //10次轮函数，每次包括字节代换，行位移，列混合、轮密钥加，特别需要注意的最后一轮不需要列混合
    
    for(int i = 0; i < 10; i++){
        SubBytes(state);
        ShiftRows(state);
        MixColumns(state);
        AddRoundKey(state, dw[i * Nb, (i + 1) * Nb - 1]);
    }
    SubBytes(state);
    ShiftRows(state);
    AddRoundKey(state, dw[10 * Nb, (10 + 1) * Nb - 1]);

    out = state
}

接下来对这几个主要的步骤进行说明：

1.字节代换SubBytes

取状态数组中每个字节元素的高4位作为行标，低四位作为列标，从S盒中取出相应的元素即为一次字节代换

const uint8_t Sbox[256] = {
  0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, 0xf2, 0x6b, 0x6f, 0xc5, 0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, 0xfe, 0xd7, 0xab, 0x76,
  0xca, 0x82, 0xc9, 0x7d, 0xfa, 0x59, 0x47, 0xf0, 0xad, 0xd4, 0xa2, 0xaf, 0x9c, 0xa4, 0x72, 0xc0,
  0xb7, 0xfd, 0x93, 0x26, 0x36, 0x3f, 0xf7, 0xcc, 0x34, 0xa5, 0xe5, 0xf1, 0x71, 0xd8, 0x31, 0x15,
  0x04, 0xc7, 0x23, 0xc3, 0x18, 0x96, 0x05, 0x9a, 0x07, 0x12, 0x80, 0xe2, 0xeb, 0x27, 0xb2, 0x75,
  0x09, 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a, 0xa0, 0x52, 0x3b, 0xd6, 0xb3, 0x29, 0xe3, 0x2f, 0x84,
  0x53, 0xd1, 0x00, 0xed, 0x20, 0xfc, 0xb1, 0x5b, 0x6a, 0xcb, 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, 0xcf,
  0xd0, 0xef, 0xaa, 0xfb, 0x43, 0x4d, 0x33, 0x85, 0x45, 0xf9, 0x02, 0x7f, 0x50, 0x3c, 0x9f, 0xa8,
  0x51, 0xa3, 0x40, 0x8f, 0x92, 0x9d, 0x38, 0xf5, 0xbc, 0xb6, 0xda, 0x21, 0x10, 0xff, 0xf3, 0xd2,
  0xcd, 0x0c, 0x13, 0xec, 0x5f, 0x97, 0x44, 0x17, 0xc4, 0xa7, 0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73,
  0x60, 0x81, 0x4f, 0xdc, 0x22, 0x2a, 0x90, 0x88, 0x46, 0xee, 0xb8, 0x14, 0xde, 0x5e, 0x0b, 0xdb,
  0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c, 0xc2, 0xd3, 0xac, 0x62, 0x91, 0x95, 0xe4, 0x79,
  0xe7, 0xc8, 0x37, 0x6d, 0x8d, 0xd5, 0x4e, 0xa9, 0x6c, 0x56, 0xf4, 0xea, 0x65, 0x7a, 0xae, 0x08,
  0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, 0xa6, 0xb4, 0xc6, 0xe8, 0xdd, 0x74, 0x1f, 0x4b, 0xbd, 0x8b, 0x8a,
  0x70, 0x3e, 0xb5, 0x66, 0x48, 0x03, 0xf6, 0x0e, 0x61, 0x35, 0x57, 0xb9, 0x86, 0xc1, 0x1d, 0x9e,
  0xe1, 0xf8, 0x98, 0x11, 0x69, 0xd9, 0x8e, 0x94, 0x9b, 0x1e, 0x87, 0xe9, 0xce, 0x55, 0x28, 0xdf,
  0x8c, 0xa1, 0x89, 0x0d, 0xbf, 0xe6, 0x42, 0x68, 0x41, 0x99, 0x2d, 0x0f, 0xb0, 0x54, 0xbb, 0x16
};
void subByte(uint8_t *t) {
  uint8_t tmp1 = (*t >> 4) * 16;
  uint8_t tmp2 = (*t & 0x0f);
  *t = Sbox[(int)(tmp2 + tmp1)];
}

2.行位移ShiftRows

行位移是一个左循环移位。当密钥长度为128比特时，状态矩阵的第0行左移0字节，第1行左移1字节，第2行左移2字节，第3行左移3字节。

void RotWord(uint32_t *t, int count) {
  uint8_t temp;
  for (int i = 0; i < count; i++) {
    temp = (*t >> 24) & 0xff;
    *t <<= 8;
    *t |= temp;
  }
}
void shiftRow(uint32_t t[4]) {
  for(int i = 0; i < 4; i++) {
    RotWord(&t[i], i);
  }
}

3.列混合MixColumns

列混合是通过矩阵相乘来实现的，经行位移后的状态矩阵与固定的矩阵相乘，得到混淆后的状态矩阵。

该项理解起来可能稍难，我们需要先复习，哦预习一下相关数学知识。偷一下懒，借用一下别人的文章。

具体怎么计算？看如下代码：

const uint32_t mcBox[4] = {
  0x02030101, 0x01020301, 0x01010203, 0x03010102
};
//列混合计算
void mixColumns(uint32_t t[4]) {
  turn(t, t);
  uint32_t temp[4];

  memcpy(temp, t, sizeof(uint32_t) * 4);

  for(int i = 0; i < 4; i++) {
    for(int j = 0; j < 4; j++) {
      t[i] &= ~(0xff000000 >> (j * 8));
      t[i] |= ((uint32_t)(GFmulWord(mcBox[i], temp[j])) << ((3 - j) * 8));
    }
  }
}
//相乘
uint8_t GFmulWord(uint32_t f1, uint32_t f2) {
  uint8_t t = 0x00;

  for(int i = 0; i < 4; i++) {
    t ^= GFmul((f1 >> (i * 8)) & 0xff, (f2 >> (i * 8)) & 0xff);
  }

  return t;
}
uint8_t GFmul(uint8_t f1, uint8_t f2) {
  
  if(f1 == 0) {
    return 0;
  }

  if(f1 == 0x01) {
    return f2;
  }

  uint8_t mask = 0x80;
  uint8_t r = 0x00;
  uint8_t temp = f2;
  for(int i = 0; i < 7; i++) {
    if((f1 & (mask >> i)) != 0) {
      for(int j = 0; j < (7 - i); j++) {
        if((temp & 0x80) != 0) {
          temp = (temp << 1) ^ 0x1b;
        }
        else {
          temp = temp << 1;
        }
      }
      r = r ^ temp;
      temp = f2;
    }
  }

  if((f1 & 0x01) != 0) {
    r = r ^ f2;
  }

  return r;
}

4.轮密钥加AddRoundKey

轮秘钥加是将数据与相应的秘钥逐位进行异或操作,代码也很简单

void addRoundKey(uint32_t *t1, uint32_t *t2, int t3) {
  for (int i= 0; i < t3; i++) {
    t1[i] ^= t2[i];
  }
}

5.密钥扩展KeyExpansion

以4字节为一个字，roundKeys前4个字为输入的密钥，后续的生成规则如下：

roundKey[i] = i % 4 == 0 ? roundKey[i - 4] ⨁ T(roundKey[i - 1]) : roundKey[i - 4] ⨁ roundKey[i - 1]

T函数主要有三个部分构成：循环左移一个字节→S盒字节代换→轮常量异或
具体实现看代码：

const uint32_t Rcon[10] = {
  0x01000000, 0x02000000, 0x04000000, 0x08000000, 0x10000000,
  0x20000000, 0x40000000, 0x80000000, 0x1b000000, 0x36000000
};

void geneRoundKeys(uint32_t key[4], uint32_t roundKeys[NK * (ROUND + 1)]) {
  uint32_t temp;
  memcpy(roundKeys, key, sizeof(uint32_t) * 4);
  for (int i = 4; i < NK * (ROUND + 1); i++) {
    temp = roundKeys[i - 1];
    if(i % NK == 0) {
      RotWord(&temp, 1);//循环位移
      subWord(&temp);//字节代换
      temp ^= Rcon[i / 4 - 1];//与常量表异或
    }
    roundKeys[i] = roundKeys[i - NK] ^ temp;
  }
}

后记

之所以想对AES的加密原理进行分析，是因为逆向经常遇到AES加密，但是总是套用别人的代码，由于AES模式繁多，加上密钥向量什么的，自己也不懂AES加密解密，导致有时候很小的一个问题自己也没办法改一改。这次趁着兴趣正浓，从网上查阅了大量的资料，看了各个大神详细的分析版本，也阅读了很多大神的代码，对很多函数有了深入的了解，接下来自己会尝试写一套AES加密解密的源码进行更深入的了解。

这几天参考了大量的文献，对这些作者的无私奉献表示感谢：

1.https://blog.youkuaiyun.com/qq_28205153/article/details/55798628

很详细很全面的一篇AES介绍文章，很多书上不太理解的地方看了这篇文章之后恍然大悟

2.https://blog.youkuaiyun.com/shaosunrise/article/details/80219950

3.https://github.com/XUANLANcognition/aes-cpp

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