# AES加密算法原理及其GO语言实现
AES是作为DES的替代标准出现的，全称Advanced Encryption Standard，即：高级加密标准。
AES加密算法，经历了公开的选拔，最终2000年，由比利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen设计的Rijndael算法被选中，成为了AES标准。
AES明文分组长度为128位，即16个字节，密钥长度可以为16个字节、24个字节、或32个字节，即128位密钥、192位密钥、或256位密钥。
## 总体结构
和DES相同，AES也由多个轮组成，其中每个轮分为SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey 4个步骤，即：字节代替、行移位、列混淆和轮密钥加。
根据密钥长度不同，所需轮数也不同，128位、192位、256位密钥，分别需要10轮、12轮和14轮。
第1轮之前有一次AddRoundKey，即轮密钥加，可以视为第0轮；之后1至N-1轮，执行SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey；最后一轮仅包括：SubBytes、MixColumns、AddRoundKey。
用Nr表示轮数，需要Nr+1次轮密钥加，因此需要Nr+1个子密钥。以128位密钥为例，需要11个子密钥，因此需要密钥扩展，密钥扩展方法下文介绍。
AES中没有使用Feistel网络，其结构称为SPN结构。
AES的解密算法，即加密算法的反向操作。
如下为AES总体结构示意图：
## 密钥扩展
Nk表示初始密钥的字数，一个字为4个字节，以16字节初始密钥为例，初始密钥共计4个字。
AES加密过程共计需Nk+7个子密钥，即4(Nk + 7)个字，以16字节初始密钥为例，共计需11个子密钥，44个字。
其中前Nk个字作为种子密钥，由初始密钥填充。以16字节初始密钥为例，前4个字，由初始密钥填充。
之后的每个字，W[i]等于前边一个字W[i-1]与Nk个字之前的字W[i-Nk]异或。
但是对于Nk整数倍位置的字，在异或之前先对W[i-1]做如下变换：字节循环移位、S盒变换，并异或轮常数。
如下为密钥扩展示意图：
go标准库AES密钥扩展实现如下：
```go
func expandKeyGo(key []
byte, enc, dec []
uint32) {
var i int
nk :=
len(key) /
4
for i =
0; i < nk; i++ {
//其中前Nk个字作为种子密钥，由初始密钥填充
//以16字节初始密钥为例，前4个字，由初始密钥填充
enc[i] = uint32(key[
4*i])<<
24 | uint32(key[
4*i+
1])<<
16 | uint32(key[
4*i+
2])<<
8 | uint32(key[
4*i+
3])
}
for ; i <
len(enc); i++ {
t := enc[i-
1]
if i%nk ==
0 {
//但是对于Nk整数倍位置的字，在异或之前先对W[i-1]做如下变换：字节循环移位、S盒变换，并异或轮常数
t = subw(rotw(t)) ^ (uint32(powx[i/nk-
1]) <<
24)
}
else
if nk >
6 && i%nk ==
4 {
t = subw(t)
}
//之后的每个字，W[i]等于前边一个字W[i-1]与Nk个字之前的字W[i-Nk]异或
enc[i] = enc[i-nk] ^ t
}
//enc为加密子密钥组
//dec为解密子密钥组，dec为enc逆序
if dec ==
nil {
return
}
n :=
len(enc)
for i :=
0; i < n; i +=
4 {
ei := n - i -
4
for j :=
0; j <
4; j++ {
x := enc[ei+j]
if i >
0 && i+
4 < n {
x = td0[sbox0[x>>
24]] ^ td1[sbox0[x>>
16&
0xff]] ^ td2[sbox0[x>>
8&
0xff]] ^ td3[sbox0[x&
0xff]]
}
dec[i+j] = x
}
}
}
//代码位置src/crypto/aes/block.go
```
如下将展开介绍每轮中的4个步骤：字节代替、行移位、列混淆和轮密钥加。
## 字节代替SubBytes
AES定义了一个S盒，它由16x16个字节组成的矩阵，包含了8位所能表示的256个数的一个置换表。
AES的分组长度128位，即16字节，每个字节高4位作为行值、低4位作为列值，从S盒中查找指定行、列的值作为输出。
AES输入的16个字节，每个字节按上述方式映射为新的字节，即字节代替。
如下为go标准库中使用的S盒和逆S盒：
```go
//S盒
var sbox0 = [
256]
byte{
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,
}
//逆S盒
var sbox1 = [
256]
byte{
0x52,
0x09,
0x6a,
0xd5,
0x30,
0x36,
0xa5,
0x38,
0xbf,
0x40,
0xa3,
0x9e,
0x81,
0xf3,
0xd7,
0xfb,
0x7c,
0xe3,
0x39,
0x82,
0x9b,
0x2f,
0xff,
0x87,
0x34,
0x8e,
0x43,
0x44,
0xc4,
0xde,
0xe9,
0xcb,
0x54,
0x7b,
0x94,
0x32,
0xa6,
0xc2,
0x23,
0x3d,
0xee,
0x4c,
0x95,
0x0b,
0x42,
0xfa,
0xc3,
0x4e,
0x08,
0x2e,
0xa1,
0x66,
0x28,
0xd9,
0x24,
0xb2,
0x76,
0x5b,
0xa2,
0x49,
0x6d,
0x8b,
0xd1,
0x25,
0x72,
0xf8,
0xf6,
0x64,
0x86,
0x68,
0x98,
0x16,
0xd4,
0xa4,
0x5c,
0xcc,
0x5d,
0x65,
0xb6,
0x92,
0x6c,
0x70,
0x48,
0x50,
0xfd,
0xed,
0xb9,
0xda,
0x5e,
0x15,
0x46,
0x57,
0xa7,
0x8d,
0x9d,
0x84,
0x90,
0xd8,
0xab,
0x00,
0x8c,
0xbc,
0xd3,
0x0a,
0xf7,
0xe4,
0x58,
0x05,
0xb8,
0xb3,
0x45,
0x06,
0xd0,
0x2c,
0x1e,
0x8f,
0xca,
0x3f,
0x0f,
0x02,
0xc1,
0xaf,
0xbd,
0x03,
0x01,
0x13,
0x8a,
0x6b,
0x3a,
0x91,
0x11,
0x41,
0x4f,
0x67,
0xdc,
0xea,
0x97,
0xf2,
0xcf,
0xce,
0xf0,
0xb4,
0xe6,
0x73,
0x96,
0xac,
0x74,
0x22,
0xe7,
0xad,
0x35,
0x85,
0xe2,
0xf9,
0x37,
0xe8,
0x1c,
0x75,
0xdf,
0x6e,
0x47,
0xf1,
0x1a,
0x71,
0x1d,
0x29,
0xc5,
0x89,
0x6f,
0xb7,
0x62,
0x0e,
0xaa,
0x18,
0xbe,
0x1b,
0xfc,
0x56,
0x3e,
0x4b,
0xc6,
0xd2,
0x79,
0x20,
0x9a,
0xdb,
0xc0,
0xfe,
0x78,
0xcd,
0x5a,
0xf4,
0x1f,
0xdd,
0xa8,
0x33,
0x88,
0x07,
0xc7,
0x31,
0xb1,
0x12,
0x10,
0x59,
0x27,
0x80,
0xec,
0x5f,
0x60,
0x51,
0x7f,
0xa9,
0x19,
0xb5,
0x4a,
0x0d,
0x2d,
0xe5,
0x7a,
0x9f,
0x93,
0xc9,
0x9c,
0xef,
0xa0,
0xe0,
0x3b,
0x4d,
0xae,
0x2a,
0xf5,
0xb0,
0xc8,
0xeb,
0xbb,
0x3c,
0x83,
0x53,
0x99,
0x61,
0x17,
0x2b,
0x04,
0x7e,
0xba,
0x77,
0xd6,
0x26,
0xe1,
0x69,
0x14,
0x63,
0x55,
0x21,
0x0c,
0x7d,
}
//代码位置src/crypto/aes/const.go
```
## 行移位ShiftRows
AES输入的16个字节组成4x4字节矩阵，行移位即：
第1行保持不变，第2行循环左移1个字节，第3行循环左移2个字节，第4行循环左移3个字节。
逆向行移位为后3行做行移位的反向操作，如第2行循环右移1个字节，其他行类似处理。
附行移位示意图如下：
## 列混淆MixColumns
列混淆和逆向列混淆，实际上是使用乘法矩阵，但是其加法和乘法均为定义在有限域上的加法和乘法。
如下为正向列混淆：
如下为逆向列混淆：
## 轮密钥加AddRoundKey
轮密钥加，即128位输入与128位轮密钥做异或运算。
## go标准库中AES加密算法实现
go标准库中AES算法加密、解密实现代码如下：
```go
func newCipherGeneric(key []
byte) (cipher.Block,
error) {
n :=
len(key) +
28
c := aesCipher{
make([]
uint32, n),
make([]
uint32, n)}
//密钥扩展
expandKeyGo(key, c.enc, c.dec)
return &c,
nil
}
//加密
//xk即子密钥组
func encryptBlockGo(xk []
uint32, dst, src []
byte) {
var s0, s1, s2, s3, t0, t1, t2, t3 uint32
//按4x4矩阵排列
s0 = uint32(src[
0])<<
24 | uint32(src[
1])<<
16 | uint32(src[
2])<<
8 | uint32(src[
3])
s1 = uint32(src[
4])<<
24 | uint32(src[
5])<<
16 | uint32(src[
6])<<
8 | uint32(src[
7])
s2 = uint32(src[
8])<<
24 | uint32(src[
9])<<
16 | uint32(src[
10])<<
8 | uint32(src[
11])
s3 = uint32(src[
12])<<
24 | uint32(src[
13])<<
16 | uint32(src[
14])<<
8 | uint32(src[
15])
//第1次轮密钥加
s0 ^= xk[
0]
s1 ^= xk[
1]
s2 ^= xk[
2]
s3 ^= xk[
3]
//nr为中间重复轮数
//例如128位密钥，44字子密钥，此处为9轮
//-2位去除开头和结尾轮
nr :=
len(xk)/
4 -
2
//4表示已使用了4个字子密钥
k :=
4
for r :=
0; r < nr; r++ {
//此处代码包括字节代替、行移位、列混淆、轮密钥加
t0 = xk[k+
0] ^ te0[uint8(s0>>
24)] ^ te1[uint8(s1>>
16)] ^ te2[uint8(s2>>
8)] ^ te3[uint8(s3)]
t1 = xk[k+
1] ^ te0[uint8(s1>>
24)] ^ te1[uint8(s2>>
16)] ^ te2[uint8(s3>>
8)] ^ te3[uint8(s0)]
t2 = xk[k+
2] ^ te0[uint8(s2>>
24)] ^ te1[uint8(s3>>
16)] ^ te2[uint8(s0>>
8)] ^ te3[uint8(s1)]
t3 = xk[k+
3] ^ te0[uint8(s3>>
24)] ^ te1[uint8(s0>>
16)] ^ te2[uint8(s1>>
8)] ^ te3[uint8(s2)]
k +=
4
s0, s1, s2, s3 = t0, t1, t2, t3
}
//最后一轮仅包括字节代替、行移位、轮密钥加
//此处为字节代替和行移位
s0 = uint32(sbox0[t0>>
24])<<
24 | uint32(sbox0[t1>>
16&
0xff])<<
16 | uint32(sbox0[t2>>
8&
0xff])<<
8 | uint32(sbox0[t3&
0xff])
s1 = uint32(sbox0[t1>>
24])<<
24 | uint32(sbox0[t2>>
16&
0xff])<<
16 | uint32(sbox0[t3>>
8&
0xff])<<
8 | uint32(sbox0[t0&
0xff])
s2 = uint32(sbox0[t2>>
24])<<
24 | uint32(sbox0[t3>>
16&
0xff])<<
16 | uint32(sbox0[t0>>
8&
0xff])<<
8 | uint32(sbox0[t1&
0xff])
s3 = uint32(sbox0[t3>>
24])<<
24 | uint32(sbox0[t0>>
16&
0xff])<<
16 | uint32(sbox0[t1>>
8&
0xff])<<
8 | uint32(sbox0[t2&
0xff])
//轮密钥加
s0 ^= xk[k+
0]
s1 ^= xk[k+
1]
s2 ^= xk[k+
2]
s3 ^= xk[k+
3]
//输出
dst[
0], dst[
1], dst[
2], dst[
3] = byte(s0>>
24), byte(s0>>
16), byte(s0>>
8), byte(s0)
dst[
4], dst[
5], dst[
6], dst[
7] = byte(s1>>
24), byte(s1>>
16), byte(s1>>
8), byte(s1)
dst[
8], dst[
9], dst[
10], dst[
11] = byte(s2>>
24), byte(s2>>
16), byte(s2>>
8), byte(s2)
dst[
12], dst[
13], dst[
14], dst[
15] = byte(s3>>
24), byte(s3>>
16), byte(s3>>
8), byte(s3)
}
//解密
//xk即子密钥组
func decryptBlockGo(xk []
uint32, dst, src []
byte) {
var s0, s1, s2, s3, t0, t1, t2, t3 uint32
//按4x4矩阵排列
s0 = uint32(src[
0])<<
24 | uint32(src[
1])<<
16 | uint32(src[
2])<<
8 | uint32(src[
3])
s1 = uint32(src[
4])<<
24 | uint32(src[
5])<<
16 | uint32(src[
6])<<
8 | uint32(src[
7])
s2 = uint32(src[
8])<<
24 | uint32(src[
9])<<
16 | uint32(src[
10])<<
8 | uint32(src[
11])
s3 = uint32(src[
12])<<
24 | uint32(src[
13])<<
16 | uint32(src[
14])<<
8 | uint32(src[
15])
//第1次轮密钥加
s0 ^= xk[
0]
s1 ^= xk[
1]
s2 ^= xk[
2]
s3 ^= xk[
3]
//nr为中间重复轮数
//例如128位密钥，44字子密钥，此处为9轮
//-2位去除开头和结尾轮
nr :=
len(xk)/
4 -
2
//4表示已使用了4个字子密钥
k :=
4
for r :=
0; r < nr; r++ {
//此处代码包括逆向字节代替、逆向行移位、逆向列混淆、轮密钥加
t0 = xk[k+
0] ^ td0[uint8(s0>>
24)] ^ td1[uint8(s3>>
16)] ^ td2[uint8(s2>>
8)] ^ td3[uint8(s1)]
t1 = xk[k+
1] ^ td0[uint8(s1>>
24)] ^ td1[uint8(s0>>
16)] ^ td2[uint8(s3>>
8)] ^ td3[uint8(s2)]
t2 = xk[k+
2] ^ td0[uint8(s2>>
24)] ^ td1[uint8(s1>>
16)] ^ td2[uint8(s0>>
8)] ^ td3[uint8(s3)]
t3 = xk[k+
3] ^ td0[uint8(s3>>
24)] ^ td1[uint8(s2>>
16)] ^ td2[uint8(s1>>
8)] ^ td3[uint8(s0)]
k +=
4
s0, s1, s2, s3 = t0, t1, t2, t3
}
//最后一轮仅包括逆向字节代替、逆向行移位、轮密钥加
//此处为逆向字节代替和逆向行移位
s0 = uint32(sbox1[t0>>
24])<<
24 | uint32(sbox1[t3>>
16&
0xff])<<
16 | uint32(sbox1[t2>>
8&
0xff])<<
8 | uint32(sbox1[t1&
0xff])
s1 = uint32(sbox1[t1>>
24])<<
24 | uint32(sbox1[t0>>
16&
0xff])<<
16 | uint32(sbox1[t3>>
8&
0xff])<<
8 | uint32(sbox1[t2&
0xff])
s2 = uint32(sbox1[t2>>
24])<<
24 | uint32(sbox1[t1>>
16&
0xff])<<
16 | uint32(sbox1[t0>>
8&
0xff])<<
8 | uint32(sbox1[t3&
0xff])
s3 = uint32(sbox1[t3>>
24])<<
24 | uint32(sbox1[t2>>
16&
0xff])<<
16 | uint32(sbox1[t1>>
8&
0xff])<<
8 | uint32(sbox1[t0&
0xff])
//轮密钥加
s0 ^= xk[k+
0]
s1 ^= xk[k+
1]
s2 ^= xk[k+
2]
s3 ^= xk[k+
3]
//输出
dst[
0], dst[
1], dst[
2], dst[
3] = byte(s0>>
24), byte(s0>>
16), byte(s0>>
8), byte(s0)
dst[
4], dst[
5], dst[
6], dst[
7] = byte(s1>>
24), byte(s1>>
16), byte(s1>>
8), byte(s1)
dst[
8], dst[
9], dst[
10], dst[
11] = byte(s2>>
24), byte(s2>>
16), byte(s2>>
8), byte(s2)
dst[
12], dst[
13], dst[
14], dst[
15] = byte(s3>>
24), byte(s3>>
16), byte(s3>>
8), byte(s3)
}
//代码位置src/crypto/aes/block.go
```
网址：http://www.qukuailianxueyuan.io/
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