AES加密算法详解：从密钥扩展到轮变换

AES加密算法详解：从密钥扩展到轮变换

AES (Advanced Encryption Standard) 是一种广泛应用的对称密钥加密算法，以其高效性和安全性而著称。本文将深入探讨AES算法的加密过程，包括密钥扩展、轮密钥加、字节代换、行移位、列混淆等关键步骤。

密钥扩展

AES算法使用密钥扩展过程，将原始密钥扩展成一系列称为'轮密钥'的密钥。每个轮密钥用于加密过程中的特定轮次。密钥扩展过程通过密钥调度算法实现，确保每个轮密钥都与原始密钥相关联，并增加攻击者破解密钥的难度。

轮变换

AES算法的加密过程包含多轮迭代，每轮都执行以下四个步骤：

1. 字节代换 (SubBytes): 使用预定义的S盒，将每个字节替换为另一个字节，实现非线性变换，增加算法的抗攻击能力。2. 行移位 (ShiftRows): 将状态矩阵中的每一行循环移位不同的位数，增加数据的扩散性。3. 列混淆 (MixColumns): 将状态矩阵的每一列视为一个多项式，并与一个固定的多项式相乘，实现列之间的扩散，增强算法的安全性。4. 轮密钥加 (AddRoundKey): 将当前轮的轮密钥与状态矩阵进行异或操作，将密钥信息融入到加密过程中。

Nr-1轮与最后一轮

AES算法的加密轮数取决于密钥长度，分别为10轮、12轮和14轮。前 Nr-1 轮都包含上述四个步骤，而最后一轮则省略了列混淆步骤。这是因为最后一轮的列混淆操作对安全性提升有限，反而会增加计算复杂度。

解密过程

AES算法的解密过程与加密过程基本相同，只是操作顺序相反。解密时，首先进行轮密钥加的逆运算，然后依次执行列混淆的逆运算、行移位的逆运算和字节代换的逆运算。

总结

AES算法通过多轮迭代和复杂的变换操作，确保了数据的机密性和完整性。密钥扩展过程保证了密钥的安全性，而轮变换过程中的字节代换、行移位、列混淆和轮密钥加等步骤则协同工作，有效地抵抗各种攻击手段。