2024年4月26日发(作者：)

AES基本原理

AES（Advanced Encryption Standard）是一种对称加密算法，用于保护敏感数据

的机密性。它是目前最常用的加密算法之一，被广泛应用于各种领域，包括网络通

信、金融交易和数据存储等。

1. 对称加密算法简介

对称加密算法是一种使用相同的密钥进行加密和解密的算法。在加密过程中，明文

通过一个数学函数（即加密算法）和一个秘钥进行变换，生成密文。而在解密过程

中，通过相同的数学函数和相同的秘钥对密文进行变换，得到原始明文。

对称加密算法具有高效性能和较低的计算成本，因此被广泛应用。然而，由于加解

密使用相同的秘钥，秘钥管理成为一个重要问题。

2. AES历史背景

在1997年之前，美国政府一直采用DES（Data Encryption Standard）作为标准

对称加密算法。然而，在计算能力不断提升的情况下，DES逐渐暴露出安全性不足

的问题。

为了替代DES，并提供更高级别的安全性能，美国国家标准技术研究所（NIST）在

1997年发起了一个公开的竞赛，邀请全球加密专家参与设计新的加密算法。由比

利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen设计的Rijndael算法被选为AES。

2001年，AES正式成为美国政府采用的标准对称加密算法，并逐渐在全球范围内得

到广泛应用。

3. AES基本原理

AES是一种分组密码（block cipher），它将明文和密钥都划分为固定长度的块，

并通过多轮迭代来实现加密和解密过程。AES算法支持128位、192位和256位三

种不同长度的秘钥。

3.1 初始轮

AES算法开始时会对输入的明文进行一次初始处理。将明文划分为若干个固定长度

（128位）的块。将每个块与一个固定长度（128位）的秘钥进行异或运算。

3.2 轮函数

在每一轮中，AES算法使用一个称为”轮函数”（round function）的操作来处理

上一轮输出或初始输入。该操作包括四个步骤：字节代换、行移位、列混淆和轮秘

钥加。

3.2.1 字节代换

字节代换是AES算法中的第一步，它将每个输入字节替换为一个预定义的值。这个

替换过程是通过一个称为”S盒”（Substitution Box）的查找表来实现的。

S盒是一个16×16的二维数组，其中每个元素都是一个8位字节。字节代换操作

将输入字节的高4位作为行索引，低4位作为列索引，在S盒中查找对应位置的元

素，并用该元素替换原始字节。

3.2.2 行移位

行移位操作将每一行循环左移不同数量的位置。具体来说，第一行不变，第二行循

环左移1个位置，第三行循环左移2个位置，第四行循环左移3个位置。

这样做的目的是增加密码算法对输入数据中局部变化的敏感性，增强算法的扩散性

能。

3.2.3 列混淆

列混淆操作对每一列进行线性变换。具体来说，它使用一个特定矩阵与输入列进行

矩阵乘法运算。

这样做可以使得输入数据在各列之间进行了更大范围的扩散和变化，增加了密码算

法对输入数据全局变化的敏感性。

3.2.4 轮秘钥加

轮秘钥加操作将当前轮的轮秘钥与上一轮输出进行异或运算。轮秘钥是由初始输入

密钥生成的，具体生成方式将在后续章节中介绍。

3.3 轮数和密钥扩展

AES算法的加密和解密过程都需要进行多轮迭代，每一轮都使用不同的轮秘钥。具

体使用多少轮取决于AES所采用的秘钥长度。

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当AES使用128位秘钥时，需要进行10轮迭代。

当AES使用192位秘钥时，需要进行12轮迭代。

当AES使用256位秘钥时，需要进行14轮迭代。

为了生成多个不同的轮秘钥，AES算法采用了一个称为”密钥扩展”（key

expansion）的过程。在该过程中，从初始输入密钥生成一系列不同的子密钥。

4. AES加解密流程

AES算法包括加密和解密两个基本过程。它们在实现上非常相似，只是在使用子密

钥和执行逆操作方面有所不同。

4.1 加密流程

1. 将明文划分为固定长度（128位）的块。

2. 对每个块执行初始处理：与初始输入秘钥进行异或运算。

3. 进行多轮迭代：

– 字节代换：将每个字节替换为S盒中对应的值。

– 行移位：对每一行进行循环左移。

– 列混淆：对每一列进行线性变换。

– 轮秘钥加：与当前轮的轮秘钥进行异或运算。

4. 最后一轮迭代后，输出最终加密结果。

4.2 解密流程

1. 将密文划分为固定长度（128位）的块。

2. 对每个块执行初始处理：与初始输入秘钥进行异或运算。

3. 进行多轮迭代：

– 逆列混淆：对每一列进行逆线性变换。

– 逆行移位：对每一行进行逆循环左移。

– 逆字节代换：将每个字节替换为S盒中对应的值的逆操作。

– 轮秘钥加：与当前轮的轮秘钥进行异或运算。

4. 最后一轮迭代后，输出最终解密结果。

5. 密钥扩展

AES算法使用一个称为”密钥扩展”（key expansion）的过程来生成多个不同的

子密钥。该过程从初始输入密钥生成了额外的子密钥，以供每一轮使用。

具体来说，密钥扩展过程包括以下几个步骤：

1. 将初始输入密钥划分为多个字（4个字为一个块），并对每个字进行处理。

2. 对每个字应用一个称为”密钥调度”（key schedule）的操作，生成新的4

个字作为下一轮的轮秘钥。

3. 重复上述步骤，直到生成足够数量的轮秘钥。

6. 安全性分析

AES算法经过多年的广泛使用和密码学专家的深入研究，被认为是安全可靠的加密

算法。它在各种领域中得到了广泛应用，并且还经受住了许多密码攻击的考验。

然而，随着计算能力的不断提升和密码分析技术的进步，AES算法也可能面临新的

挑战。在实际应用中，还需要结合适当的密钥管理和其他辅助措施来提高系统整体

安全性。

总结

AES是一种对称加密算法，通过多轮迭代和基本操作（字节代换、行移位、列混淆、

轮秘钥加）来实现加密和解密过程。它具有高效性能和较低的计算成本，被广泛应

用于各种领域。AES算法经过多年的广泛使用和密码学专家的深入研究，被认为是

安全可靠的加密算法。

参考文献： - Stallings, W. (2013). Cryptography and network security:

principles and practice. Pearson Education. - Daemen, J., & Rijmen, V.

(2002). The design of Rijndael: AES-the advanced encryption standard.

Springer Science & Business Media.