高级加密标准 AES (Advanced Encryption Standard)

本文详细介绍了AES加密标准,包括其背景、参数设定、加密流程中的字节置换、列混合、异或轮密钥、密钥扩展等关键步骤,以及针对安全性的差错分析,旨在提供对AES加密技术全面的认识。

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背景

DES不再适应使用环境
56-bits 密钥太短 (穷举密钥攻击)
软件实现效率低

3-DES对于小的分组实现速度慢

AES参数:

密钥长度 128 192 256
分组长度 128 128 128
轮数 10 12 14
轮密钥长度 128 128 128

流程


数据结构

### 高级加密标准 AES 加密算法的工作原理及特点 AESAdvanced Encryption Standard)是一种对称加密算法,由美国国家标准与技术研究院(NIST)在2001年发布,旨在取代早期的数据加密标准(DES)。它以其高度的安全性和效率成为目前最流行的对称加密算法之一[^1]。 #### 1. AES 加密算法的基本流程 AES 加密算法的核心是通过一系列复杂的数学运算来保护数据的机密性。其加密和解密过程可以概括为以下公式: - **加密函数**:C = E(K, P),其中 P 为明文,K 为密钥,C 为密文。 - **解密函数**:P = D(K, C),其中 C 为密文,K 为密钥,P 为明文。 AES 算法支持三种不同的密钥长度:128位、192位和256位,分别对应 AES-128、AES-192 和 AES-256。这三种变体的主要区别在于加密轮数的不同:AES-128 使用 10 轮加密,AES-192 使用 12 轮加密,而 AES-256 使用 14 轮加密[^2]。 #### 2. AES 加密算法的工作原理 AES 加密算法的工作原理可以分为以下几个阶段: - **密钥扩展(Key Expansion)**:根据初始密钥生成多个轮密钥,用于后续的加密轮操作。 - **初始轮(Initial Round)**:将明文与第一个轮密钥进行异或运算。 - **主加密轮(Main Rounds)**:每一轮包括四个步骤: - **字节替代(SubBytes)**:使用 S 盒对每个字节进行非线性替换。 - **行移位(ShiftRows)**:对状态矩阵的行进行循环移位。 - **列混淆(MixColumns)**:对状态矩阵的列进行线性变换。 - **轮密钥加(AddRoundKey)**:将当前轮密钥与状态矩阵进行异或运算。 - **最终轮(Final Round)**:省略了列混淆步骤,仅执行字节替代、行移位和轮密钥加。 解密过程是加密过程的逆操作,通过使用相应的逆变换恢复原始明文[^3]。 #### 3. AES 加密算法的特点 AES 加密算法具有以下显著特点: - **高安全性**:AES 的设计基于复杂的数学理论,经过广泛的密码学分析,被认为是非常安全的。 - **高效性**:AES 的加密和解密速度非常快,适合在各种硬件和软件环境中实现。 - **灵活性**:支持多种密钥长度(128位、192位、256位),可以根据安全需求选择合适的密钥长度。 - **标准化**:作为国际标准,AES 被广泛应用于金融、通信、互联网等领域,确保了跨平台的兼容性和互操作性。 ```python # 示例代码:使用 PyCryptodome 库实现 AES 加密和解密 from Crypto.Cipher import AES from Crypto.Random import get_random_bytes from Crypto.Util.Padding import pad, unpad # 密钥和初始化向量 key = get_random_bytes(16) # 128-bit 密钥 iv = get_random_bytes(16) # 16 字节 IV # 加密 cipher_encrypt = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv) plaintext = b"Hello, this is a secret message!" padded_plaintext = pad(plaintext, AES.block_size) ciphertext = cipher_encrypt.encrypt(padded_plaintext) # 解密 cipher_decrypt = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv) decrypted_padded_plaintext = cipher_decrypt.decrypt(ciphertext) decrypted_plaintext = unpad(decrypted_padded_plaintext, AES.block_size) print("加密后的密文:", ciphertext) print("解密后的明文:", decrypted_plaintext.decode()) ```
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