密碼學 - AES 結構

AES 由一系列連結操作組成，其中一些操作涉及用特定輸出替換輸入（替換），另一些操作則涉及重新排列位（置換）。

有趣的是，AES 所有計算都在位元組而不是位上進行。因此，AES 將明文塊的 128 位視為 16 個位元組。這 16 個位元組被排列成四列四行，以矩陣形式進行處理。

與 DES 不同，AES 中的輪數是可變的，並且取決於金鑰的長度。AES 對 128 位金鑰使用 10 輪，對 192 位金鑰使用 12 輪，對 256 位金鑰使用 14 輪。每一輪都使用不同的 128 位輪金鑰，該金鑰根據原始 AES 金鑰計算得出。

AES 結構示意圖如下所示：

密碼需要 128 位或 16 位元組的明文塊大小。金鑰長度可以是 16、24 或 32 位元組（128、192 或 256 位）。根據金鑰長度，演算法的名稱為 AES-128、AES-192 或 AES-256。

單個 128 位塊作為加密和解密過程的輸入。在 FIPS PUB 197 中，此塊表示為 4 * 4 的位元組方陣。在加密或解密的每個步驟中，此塊都會被複制到 State 陣列中，並更新該陣列。在最後階段之後，輸出矩陣包含當前狀態的副本。

加密過程

這裡，我們僅限於描述 AES 加密的典型輪次。每一輪都包含四個子過程。第一輪過程如下圖所示：

輪金鑰使用 Rijndael 的分組密碼排程表根據密碼金鑰計算得出。

這僅包含一個過程，即 Add_Round_Key。這裡，對每個資料位元組與輪金鑰的一個位元組執行 XOR 運算。

透過查詢設計中給出的固定表 (S-box) 來替換 16 個輸入位元組。結果是四行四列的矩陣。

矩陣的四行中的每一行都向左移動。任何“掉落”的條目都重新插入到行的右側。移位如下進行：

現在使用特殊的數學函式轉換四位元組的每一列。此函式以一列的四個位元組作為輸入，並輸出四個全新的位元組，這些位元組替換原始列。結果是另一個新的矩陣，包含 16 個新位元組。需要注意的是，在最後一輪中不執行此步驟。

矩陣的 16 個位元組現在被視為 128 位，並與輪金鑰的 128 位進行異或。如果這是最後一輪，則輸出為密文。否則，將生成的 128 位解釋為 16 個位元組，然後我們開始另一輪類似的輪次。

AES 密文的解密過程類似於加密過程，但順序相反。每一輪都包含四個以相反順序進行的過程：

由於每一輪中的子過程都是相反的，因此與 Feistel 密碼不同，加密和解密演算法需要單獨實現，儘管它們密切相關。

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