AES加密算法怎样进行改进 AES加密算法原理
AES\u52a0\u5bc6\u7b97\u6cd5\u600e\u6837\u8fdb\u884c\u6539\u8fdbAES(Advanced Encryption Standard)\uff1a\u9ad8\u7ea7\u52a0\u5bc6\u6807\u51c6\uff0c\u662f\u4e0b\u4e00\u4ee3\u7684\u52a0\u5bc6\u7b97\u6cd5\u6807\u51c6\uff0c\u901f\u5ea6\u5feb\uff0c\u5b89\u5168\u7ea7\u522b\u9ad8\u3002
\u7528AES\u52a0\u5bc62000\u5e7410\u6708\uff0cNIST\uff08\u7f8e\u56fd\u56fd\u5bb6\u6807\u51c6\u548c\u6280\u672f\u534f\u4f1a\uff09\u5ba3\u5e03\u901a\u8fc7\u4ece15\u79cd\u5019\u9009\u7b97\u6cd5\u4e2d\u9009\u51fa\u7684\u4e00\u9879\u65b0\u7684\u5bc6\u5319\u52a0\u5bc6\u6807\u51c6\u3002Rijndael\u88ab\u9009\u4e2d\u6210\u4e3a\u5c06\u6765\u7684AES\u3002Rijndael\u662f\u57281999\u5e74\u4e0b\u534a\u5e74\uff0c\u7531\u7814\u7a76\u5458Joan Daemen \u548c Vincent Rijmen \u521b\u5efa\u7684\u3002AES\u6b63\u65e5\u76ca\u6210\u4e3a\u52a0\u5bc6\u5404\u79cd\u5f62\u5f0f\u7684\u7535\u5b50\u6570\u636e\u7684\u5b9e\u9645\u6807\u51c6\u3002
\u7f8e\u56fd\u6807\u51c6\u4e0e\u6280\u672f\u7814\u7a76\u9662\uff08NIST\uff09\u4e8e2002\u5e745\u670826\u65e5\u5236\u5b9a\u4e86\u65b0\u7684\u9ad8\u7ea7\u52a0\u5bc6\u6807\u51c6\uff08AES\uff09\u89c4\u8303\u3002
\u7b97\u6cd5\u539f\u7406 AES\u7b97\u6cd5\u57fa\u4e8e\u6392\u5217\u548c\u7f6e\u6362\u8fd0\u7b97\u3002\u6392\u5217\u662f\u5bf9\u6570\u636e\u91cd\u65b0\u8fdb\u884c\u5b89\u6392\uff0c\u7f6e\u6362\u662f\u5c06\u4e00\u4e2a\u6570\u636e\u5355\u5143\u66ff\u6362\u4e3a\u53e6\u4e00\u4e2a\u3002AES\u4f7f\u7528\u51e0\u79cd\u4e0d\u540c\u7684\u65b9\u6cd5\u6765\u6267\u884c\u6392\u5217\u548c\u7f6e\u6362\u8fd0\u7b97\u3002AES\u662f\u4e00\u4e2a\u8fed\u4ee3\u7684\u3001\u5bf9\u79f0\u5bc6\u94a5\u5206\u7ec4\u7684\u5bc6\u7801\uff0c\u5b83\u53ef\u4ee5\u4f7f\u7528128\u3001192\u548c256\u4f4d\u5bc6\u94a5\uff0c\u5e76\u4e14\u7528128\u4f4d\uff0816\u5b57\u8282\uff09\u5206\u7ec4\u52a0\u5bc6\u548c\u89e3\u5bc6\u6570\u636e\u3002\u4e0e\u516c\u5171\u5bc6\u94a5\u52a0\u5bc6\u4f7f\u7528\u5bc6\u94a5\u5bf9\u4e0d\u540c\uff0c\u5bf9\u79f0\u5bc6\u94a5\u5bc6\u7801\u4f7f\u7528\u76f8\u540c\u7684\u5bc6\u94a5\u52a0\u5bc6\u548c\u89e3\u5bc6\u6570\u636e\u3002\u901a\u8fc7\u5206\u7ec4\u5bc6\u7801\u8fd4\u56de\u7684\u52a0\u5bc6\u6570\u636e\u7684\u4f4d\u6570\u4e0e\u8f93\u5165\u6570\u636e\u76f8\u540c\u3002\u8fed\u4ee3\u52a0\u5bc6\u4f7f\u7528\u4e00\u4e2a\u5faa\u73af\u7ed3\u6784\uff0c\u5728\u8be5\u5faa\u73af\u4e2d\u91cd\u590d\u7f6e\u6362\u548c\u66ff\u6362\u8f93\u5165\u6570\u636e\u3002\u5bc6\u7801\u5b66\u7b80\u4ecb\u636e\u8bb0\u8f7d\uff0c\u516c\u5143\u524d400\u5e74\uff0c\u53e4\u5e0c\u814a\u4eba\u53d1\u660e\u4e86\u7f6e\u6362\u5bc6\u7801\u30021881\u5e74\u4e16\u754c\u4e0a\u7684\u7b2c\u4e00\u4e2a\u7535\u8bdd\u4fdd\u5bc6\u4e13\u5229\u51fa\u73b0\u3002\u5728\u7b2c\u4e8c\u6b21\u4e16\u754c\u5927\u6218\u671f\u95f4\uff0c\u5fb7\u56fd\u519b\u65b9\u542f\u7528\u201c\u6069\u5c3c\u683c\u739b\u201d\u5bc6\u7801\u673a\uff0c\u5bc6\u7801\u5b66\u5728\u6218\u4e89\u4e2d\u8d77\u7740\u975e\u5e38\u91cd\u8981\u7684\u4f5c\u7528\u3002
\u968f\u7740\u4fe1\u606f\u5316\u548c\u6570\u5b57\u5316\u793e\u4f1a\u7684\u53d1\u5c55\uff0c\u4eba\u4eec\u5bf9\u4fe1\u606f\u5b89\u5168\u548c\u4fdd\u5bc6\u7684\u91cd\u8981\u6027\u8ba4\u8bc6\u4e0d\u65ad\u63d0\u9ad8\uff0c\u4e8e\u662f\u57281997\u5e74\uff0c\u7f8e\u56fd\u56fd\u5bb6\u4fdd\u51c6\u5c40\u516c\u5e03\u5b9e\u65bd\u4e86\u201c\u7f8e\u56fd\u6570\u636e\u52a0\u5bc6\u6807\u51c6\uff08DES\uff09\u201d\uff0c\u6c11\u95f4\u529b\u91cf\u5f00\u59cb\u5168\u9762\u4ecb\u5165\u5bc6\u7801\u5b66\u7684\u7814\u7a76\u548c\u5e94\u7528\u4e2d\uff0c\u91c7\u7528\u7684\u52a0\u5bc6\u7b97\u6cd5\u6709DES\u3001RSA\u3001SHA\u7b49\u3002\u968f\u7740\u5bf9\u52a0\u5bc6\u5f3a\u5ea6\u7684\u4e0d\u65ad\u63d0\u9ad8\uff0c\u8fd1\u671f\u53c8\u51fa\u73b0\u4e86AES\u3001ECC\u7b49\u3002
\u4f7f\u7528\u5bc6\u7801\u5b66\u53ef\u4ee5\u8fbe\u5230\u4ee5\u4e0b\u76ee\u7684\uff1a\u4fdd\u5bc6\u6027\uff1a\u9632\u6b62\u7528\u6237\u7684\u6807\u8bc6\u6216\u6570\u636e\u88ab\u8bfb\u53d6\u3002\u6570\u636e\u5b8c\u6574\u6027\uff1a\u9632\u6b62\u6570\u636e\u88ab\u66f4\u6539\u3002\u8eab\u4efd\u9a8c\u8bc1\uff1a\u786e\u4fdd\u6570\u636e\u53d1\u81ea\u7279\u5b9a\u7684\u4e00\u65b9\u3002
AES\u662f\u5206\u7ec4\u5bc6\u94a5\uff0c\u7b97\u6cd5\u8f93\u5165128\u4f4d\u6570\u636e\uff0c\u5bc6\u94a5\u957f\u5ea6\u4e5f\u662f128\u4f4d\u3002\u7528Nr\u8868\u793a\u5bf9\u4e00\u4e2a\u6570\u636e\u5206\u7ec4\u52a0\u5bc6\u7684\u8f6e\u6570\uff08\u52a0\u5bc6\u8f6e\u6570\u4e0e\u5bc6\u94a5\u957f\u5ea6\u7684\u5173\u7cfb\u5982\u88681\u6240\u5217\uff09\u3002\u6bcf\u4e00\u8f6e\u90fd\u9700\u8981\u4e00\u4e2a\u4e0e\u8f93\u5165\u5206\u7ec4\u5177\u6709\u76f8\u540c\u957f\u5ea6\u7684\u6269\u5c55\u5bc6\u94a5Expandedkey(i)\u7684\u53c2\u4e0e\u3002\u7531\u4e8e\u5916\u90e8\u8f93\u5165\u7684\u52a0\u5bc6\u5bc6\u94a5K\u957f\u5ea6\u6709\u9650,\u6240\u4ee5\u5728\u7b97\u6cd5\u4e2d\u8981\u7528\u4e00\u4e2a\u5bc6\u94a5\u6269\u5c55\u7a0b\u5e8f(Keyexpansion)\u628a\u5916\u90e8\u5bc6\u94a5K\u6269\u5c55\u6210\u66f4\u957f\u7684\u6bd4\u7279\u4e32,\u4ee5\u751f\u6210\u5404\u8f6e\u7684\u52a0\u5bc6\u548c\u89e3\u5bc6\u5bc6\u94a5\u3002
1.1\u5708\u53d8\u5316
AES\u6bcf\u4e00\u4e2a\u5708\u53d8\u6362\u7531\u4ee5\u4e0b\u4e09\u4e2a\u5c42\u7ec4\u6210:
\u975e\u7ebf\u6027\u5c42\u2014\u2014\u8fdb\u884cSubbyte\u53d8\u6362\uff1b
\u7ebf\u884c\u6df7\u5408\u5c42\u2014\u2014\u8fdb\u884cShiftRow\u548cMixColumn\u8fd0\u7b97\uff1b
\u5bc6\u94a5\u52a0\u5c42\u2014\u2014\u8fdb\u884cAddRoundKey\u8fd0\u7b97\u3002
\u2460 Subbyte\u53d8\u6362\u662f\u4f5c\u7528\u5728\u72b6\u6001\u4e2d\u6bcf\u4e2a\u5b57\u8282\u4e0a\u7684\u4e00\u79cd\u975e\u7ebf\u6027\u5b57\u8282\u8f6c\u6362,\u53ef\u4ee5\u901a\u8fc7\u8ba1\u7b97\u51fa\u6765\u7684S\u76d2\u8fdb\u884c\u6620\u5c04\u3002
\u2461 ShiftRow\u662f\u4e00\u4e2a\u5b57\u8282\u6362\u4f4d\u3002\u5b83\u5c06\u72b6\u6001\u4e2d\u7684\u884c\u6309\u7167\u4e0d\u540c\u7684\u504f\u79fb\u91cf\u8fdb\u884c\u5faa\u73af\u79fb\u4f4d\uff0c\u800c\u8fd9\u4e2a\u504f\u79fb\u91cf\u4e5f\u662f\u6839\u636eNb\u7684\u4e0d\u540c\u800c\u9009\u62e9\u7684[3]\u3002
\u2462 \u5728MixColumn\u53d8\u6362\u4e2d,\u628a\u72b6\u6001\u4e2d\u7684\u6bcf\u4e00\u5217\u770b\u4f5cGF(28)\u4e0a\u7684\u591a\u9879\u5f0fa(x)\u4e0e\u56fa\u5b9a\u591a\u9879\u5f0fc(x)\u76f8\u4e58\u7684\u7ed3\u679c\u3002 b(x)=c(x)*a(x)\u7684\u7cfb\u6570\u8fd9\u6837\u8ba1\u7b97:
*\u8fd0\u7b97\u4e0d\u662f\u666e\u901a\u7684\u4e58\u6cd5\u8fd0\u7b97,\u800c\u662f\u7279\u6b8a\u7684\u8fd0\u7b97\uff0c\u5373 b(x)=c(x)\u00b7a(x)(mod x4+1) \u5bf9\u4e8e\u8fd9\u4e2a\u8fd0\u7b97 b0=02\u3002a0+03\u3002a1+a2+a3 \u4ee4xtime(a0)=02\u3002a0
\u5176\u4e2d\uff0c\u7b26\u53f7\u201c\u3002\u201d\u8868\u793a\u6a21\u4e00\u4e2a\u516b\u6b21\u4e0d\u53ef\u7ea6\u591a\u9879\u5f0f\u7684\u540c\u4f59\u4e58\u6cd5[3]\u3002
\u5bf9\u4e8e\u9006\u53d8\u5316,\u5176\u77e9\u9635C\u8981\u6539\u53d8\u6210\u76f8\u5e94\u7684D,\u5373b(x)=d(x)\uff0aa(x)\u3002
\u2463 \u5bc6\u94a5\u52a0\u5c42\u8fd0\u7b97(addround)\u662f\u5c06\u5708\u5bc6\u94a5\u72b6\u6001\u4e2d\u7684\u5bf9\u5e94\u5b57\u8282\u6309\u4f4d\u201c\u5f02\u6216\u201d\u3002
\u2464 \u6839\u636e\u7ebf\u6027\u53d8\u5316\u7684\u6027\u8d28[1],\u89e3\u5bc6\u8fd0\u7b97\u662f\u52a0\u5bc6\u53d8\u5316\u7684\u9006\u53d8\u5316\u3002
AES加密算法主要步骤
1.1 AES算法整体描述
l 给定一个明文x，将State初始化为x，并进行AddRoundKey操作，将RoundKey与State异或。
l 对前Nr-1轮中的每一轮，用S盒对进行一次代换操作，称为SubBytes；对State做一置换ShiftRows；再对State做一次操作MixColumns；然后进行AddRoundKey操作。
l 依次进行SubBytes、ShiftRows和AddRoundKey操作。
l 将State定义为密文y。
1.2 伪代码
Cipher(byte in[4*Nb], byte out[4*Nb], word w[Nb*(Nr+1)])
begin
byte state[4,Nb]
state = in
AddRoundKey(state, w[0, Nb-1])
for round = 1 step 1 to Nr-1
SubBytes(state)
ShiftRows(state)
MixColumns(state)
AddRoundKey(state, w[round*Nb, (round+1)*Nb-1])
end for
SubBytes(state)
ShiftRows(state)
AddRoundKey(state, w[Nr*Nb, (Nr+1)*Nb-1])
out = state
end
2 KeyExpansion()实现
2.1要求
将128 bit的密钥扩展至加密过程中的9轮循环，再上初始及最后2轮，需构造11轮密钥。每一轮密钥由4个字组成。每个字由4个byte组成。
2.2 算法设计
输入：byte[] key, byte[] w //key为密钥 w为扩展的密钥
输出：byte[] w //扩展密钥 长度为4 * 4 * 11
处理：
1）建立一个4 byte的一维数组，存放一个字。Byte[] temp;
2）将密钥key[0..15]送至w[0..15];//已赋值4个字给w。
3) for I = 4 to 43
//以下每次处理一个字(32 bit)
temp = w[I-1];
if (I = 0 mod 4) //处理一个字 then
for j = 1 to 4 //字的4 byte处理
在此循环中取temp数组下标的次序为1,2,3,0 //RotWord 操作
如果是字的首byte，取Rcon常数Rcon(I/4);
temp[j] = Sbox(temp[ (j + 1) /4]^Rcon常数
end for
temp = SubWord(RotWord(temp))⊕Rcon[i/4]
end if
w[I] = w[I-4]⊕temp;
end for
4) 输出w
3多项式乘法mod GF(28)运算
3.1要求
将两个byte在有限域GF(28)按多项式乘法，并mod 不可约多项式m(x)=x8+x4+x3+x+1。
3.2 算法设计
输入：byte a ,byte b
输出：byte r
数学基础：
GF(28)有限域性质：两个元素的加法与两个字节按位模2加是一致的；乘法满足结合律；
考虑多项式中的一项aixi（i∈0-7），用一次x乘以多项式：
b(x) = b7x7 + b6x6 + b5x5 + b4x4 + b3x3 + b2x2 + b1x + b0,
得到
b7x8 + b6x7 + b5x6 + b4x5 + b3x4 + b2x3 + b1x2 + b0x (式1)
将结果模m(x)求余得到x*b(x)。
如果b7 = 0，则式1就是x*b(x)。
如果b7 不等于0，则必须从式1中减去m(x)后结果为x*b(x)。用x乘一个多项式简称x乘。
由此得出，aixi 乘以b(x)，可以作i次x乘。x(十六进制表示为0x02)乘可以用字节内左移一位和紧接着的一个与0x1b的按位模2加来实现，该运算暂记为xtime()。X的更高次的乘法可以通过重复应用xtime()来实现。通过将中间结果相加，任意乘法都可以利用xtime()来实现。例如：
57 * 13 = fe ，这是因为：
57 * 02 = xtime(57) = ae
57 * 04 = xtime(ae) = 47
57 * 08 = xtime(47) = 8e
57 * 10 = xtime(8e) = 07
所以
57 * 13 = 57 * ( 01⊕ 02 ⊕10 )
= 57⊕ ae⊕ 07
= fe
4 Sbox生成
4.1要求
一个字节byte看作为一个在有限域GF(28)的多项式，求出它关于模m(x)的乘法逆，之后将该乘法逆在GF(2)上作仿射变换。
4.2 算法设计
输入：byte a
输出：byte[] S
数学逻辑：
由有限域GF(28)性质。某个生成元（也是本原元）a，其a^(28-1) ≡ 1 mod m(x)。或a255 ≡ 1 mod m(x)。另外，a的从1到28-1的幂的值是构成了有限域GF(28)。
由乘法逆的性质b * b -1 ≡ 1。求乘法逆可简化如下
设 x = am ，设y是x的乘法逆，则y = a255-m
处理：
建立三个一组数组，分别为：byte S[255],byte L[255],byte E[255]。
取本原元为a = 0x03，
将a的0,1,2…255次方mod m(x)分另送至数组L中。a的运算参考前面的多项式乘法运算。如下伪码：
For i = 0 to 255
L[i] = ai (式2)
End for
为方便计算乘法逆的指数，数组E存放ai的幂指数i。将式2中ai值为数组E的下标，而将ai在数组L中的下标i作为数组E中对应的值。对应（式2）每一项有E[ai] = i。
由上面两个数组L，E，可得到GF(28)域中的任一byte的乘法逆。
设字节c它由ai生成的。其中a是GF(28)域中的生成元。欲求c的乘法逆。只需要找到a255-i即可。在数组E中可以由c查出生成元a的幂指数i。c-1的幂指数255-i。所以c-1 = L[255-i]。
对每一个字节byte根据以上内容得到乘法逆，作仿射变换得到数组S。即为Sbox
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