AES加密算法

談思實驗室 2026-03-12 21:32

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密鑰

密鑰是AES算法實現加密和解密的根本。對稱加密算法之所以對稱，是因為這類算法對明文的加密和解密需要使用同一個密鑰。

AES支持三種長度的密鑰：

128位，192位，256位

平時大家所說的AES128，AES192，AES256，實際上就是指的AES算法對不同長度密鑰的使用。

填充

要想了解填充的概念，我們先要了解AES的分組加密特性。

什么是分組加密呢？我們來看看下面這張圖：

AES算法在對明文加密的時候，并不是把整個明文一股腦加密成一整段密文，而是把明文拆分成一個個獨立的明文塊，每一個明文塊長度128bit。

這些明文塊經過AES加密器的復雜處理，生成一個個獨立的密文塊，這些密文塊拼接在一起，就是最終的AES加密結果。

但是這里涉及到一個問題：

假如一段明文長度是192bit，如果按每128bit一個明文塊來拆分的話，第二個明文塊只有64bit，不足128bit。這時候怎么辦呢？就需要對明文塊進行填充（Padding）。

NoPadding：

不做任何填充，但是要求明文必須是16字節的整數倍。

PKCS5Padding（默認）：

如果明文塊少于16個字節（128bit），在明文塊末尾補足相應數量的字符，且每個字節的值等于缺少的字符數。

比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6個字節，則補全為{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,6,6,6,6,6,6}

模板ISO10126Padding：

如果明文塊少于16個字節（128bit），在明文塊末尾補足相應數量的字節，最后一個字符值等于缺少的字符數，其他字符填充隨機數。

比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6個字節，則可能補全為{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,5,c,3,G,$,6}

模式

AES的工作模式，體現在把明文塊加密成密文塊的處理過程中。AES加密算法提供了五種不同的工作模式：

ECB、CBC、CTR、CFB、OFB

模式之間的主題思想是近似的，在處理細節上有一些差別。我們這一期只介紹各個模式的基本定義。

ECB模式（默認）：

電碼本模式 Electronic Codebook Book

CBC模式：

密碼分組鏈接模式 Cipher Block Chaining

CTR模式：

計算器模式 Counter

CFB模式：

密碼反饋模式 Cipher FeedBack

OFB模式：

輸出反饋模式 Output FeedBack

具體分成多少輪呢？

初始輪（Initial Round） 1次
普通輪（Rounds） N次
最終輪（Final Round） 1次

AES的Key支持三種長度：AES128，AES192，AES256。Key的長度決定了AES加密的輪數。
除去初始輪，各種Key長度對應的輪數如下：

AES128：10輪
AES192：12輪
AES256：14輪

不同階段的Round 有不同的處理步驟。

初始輪只有一個步驟：

加輪密鑰（AddRoundKey）

普通輪有四個步驟：

字節代替（SubBytes）
行移位（ShiftRows）
列混淆（MixColumns）
加輪密鑰（AddRoundKey）

最終輪有三個步驟：

字節代替（SubBytes）
行移位（ShiftRows）
加輪密鑰（AddRoundKey）

1. 字節替代（SubBytes）

首先需要說明的是，16字節的明文塊在每一個處理步驟中都被排列成4X4的二維數組。
所謂字節替代，就是把明文塊的每一個字節都替代成另外一個字節。替代的依據是什么呢？

依據一個被稱為S盒（Subtitution Box）的16X16大小的二維常量數組。

假設明文塊當中a[2,2] = 5B（一個字節是兩位16進制），那么輸出值b[2,2] = S[5][11]。

2. 行移位（ShiftRows）

這一步很簡單，就像圖中所描述的：

第一行不變
第二行循環左移1個字節
第三行循環左移2個字節
第四行循環左移3個字節

3. 列混淆（MixColumns）

這一步，輸入數組的每一列要和一個名為修補矩陣（fixed matrix）的二維常量數組做矩陣相乘，得到對應的輸出列。

4. 加輪密鑰（AddRoundKey）

這一步是唯一利用到密鑰的一步，128bit的密鑰也同樣被排列成4X4的矩陣。

讓輸入數組的每一個字節a[i,j]與密鑰對應位置的字節k[i,j]異或一次，就生成了輸出值b[i,j]。

需要補充一點，加密的每一輪所用到的密鑰并不是相同的。這里涉及到一個概念：擴展密鑰（KeyExpansions）。

擴展密鑰（KeyExpansions）

AES源代碼中用長度 4 * 4 *（10+1）字節的數組W來存儲所有輪的密鑰。W{0-15}的值等同于原始密鑰的值，用于為初始輪做處理。

后續每一個元素W[i]都是由W[i-4]和W[i-1]計算而來，直到數組W的所有元素都賦值完成。

W數組當中，W{0-15}用于初始輪的處理，W{16-31}用于第1輪的處理，W{32-47}用于第2輪的處理 …一直到W{160-175}用于最終輪（第10輪）的處理。

模式解析（KeyExpansions）

1.ECB模式

ECB模式（Electronic Codebook Book）是最簡單的工作模式，在該模式下，每一個明文塊的加密都是完全獨立，互不干涉的。

這樣的好處是什么呢？

簡單
有利于并行計算

缺點同樣也很明顯：

相同的明文塊經過加密會變成相同的密文塊，因此安全性較差。

2.CBC模式

CBC模式（Cipher Block Chaining）引入了一個新的概念：初始向量IV（Initialization Vector）。

IV是做什么用的呢？它的作用和MD5的“加鹽”有些類似，目的是防止同樣的明文塊始終加密成同樣的密文塊。

從圖中可以看出，CBC模式在每一個明文塊加密前會讓明文塊和一個值先做異或操作。IV作為初始化變量，參與第一個明文塊的異或，后續的每一個明文塊和它前一個明文塊所加密出的密文塊相異或。

這樣以來，相同的明文塊加密出的密文塊顯然是不一樣的。

CBC模式的好處是什么呢？

安全性更高

壞處也很明顯：

無法并行計算，性能上不如ECB
引入初始化向量IV，增加復雜度。

來源：CSDN@源自1994

https://blog.csdn.net/weixin_40117614/article/details/93018940?spm=1001.2014.3001.5502

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