aes算法s盒

1. 密码学笔记4——AES密码

AES的S盒：

把该字节的高4位作为行值，低4位作为列值，取出S盒或者逆S盒中对应的行的元素作为输出。例如，加密时，输入的字节S1为0x12,则查S盒的第0x01行和0x02列，得到值0xc9,然后替换S1原有的0x12为0xc9。状态矩阵经字节代换后的图如下：
AES的S逆盒：

例子：

列混合变换是通过矩阵相乘来实现的，经行移位后的状态矩阵与固定的矩阵相乘，得到混淆后的状态矩阵，如下图的公式所示：

这个位置有点不好理解，我们举一个简单的例子（都是我翻阅资料，最后通过计算总算是知道怎么算了）
计算

输入密钥直接被复制到扩展密钥数组的前4个字。然后每次用4个字填充扩展密钥余下的部分。公式描述

明文：
密钥：
密文：
这里引用书上的例子，自己可以去算一遍加深理解

2. 简述DES算法的S盒与AES算法的S盒之间的相同点和不同点。

相同：具有良好的非线性，AES的非线性运算是字节代换，对应于DES中唯一非线性运算S盒。不相同：1,DES算法一共有8个S盒，AES算法只有S盒和逆S盒。2.DES算法的每个S盒都是4×16的矩阵，每一行包括所有16种4位二进制。AES算法的每个S盒都是16×16的矩阵，每一行包括所有16种二位十六进制。3.DES算法的S盒运算时输入是6位二进制数，输出为4位二进制。AES算法的S盒运算时输入为二位十六进制，输出也为二位16进制数。4.DES算法S盒计算式，输入六位二进制数种，第一位与第六位二进制数对应的十进制数代表S盒中的行，中间4位二进制对应的十进制数对应S盒中的列.AES在S盒计算式，输入2位十六进制数，第一位代表S盒中的行，第二位代表S盒的列。

3. 什么是AES算法

加密算法分为单向加密和双向加密。
单向加密 包括 MD5 ， SHA 等摘要算法。单向加密算法是不可逆的，也就是无法将加密后的数据恢复成原始数据，除非采取碰撞攻击和穷举的方式。像是银行账户密码的存储，一般采用的就是单向加密的方式。

双向加密 是可逆的，存在密文的密钥，持有密文的一方可以根据密钥解密得到原始明文，一般用于发送方和接收方都能通过密钥获取明文的情况。双向加密包括对称加密和非对称加密。对称加密包括 DES 加密， AES 加密等，非对称加密包括 RSA 加密， ECC 加密。
AES 算法全称 Advanced Encryption Standard ,是 DES 算法的替代者，也是当今最流行的对称加密算法之一。

要想学习AES算法，首先要弄清楚三个基本的概念：密钥、填充、模式。

密钥是 AES 算法实现加密和解密的根本。对称加密算法之所以对称，是因为这类算法对明文的加密和解密需要使用同一个密钥。

AES支持三种长度的密钥：

128位，192位，256位

平时大家所说的AES128，AES192，AES256，实际上就是指的AES算法对不同长度密钥的使用。从安全性来看，AES256安全性最高。从性能来看，AES128性能最高。本质原因是它们的加密处理轮数不同。

要想了解填充的概念，我们先要了解AES的分组加密特性。AES算法在对明文加密的时候，并不是把整个明文一股脑加密成一整段密文，而是把明文拆分成一个个独立的明文块，每一个明文块长度128bit。

这些明文块经过AES加密器的复杂处理，生成一个个独立的密文块，这些密文块拼接在一起，就是最终的AES加密结果。

但是这里涉及到一个问题：

假如一段明文长度是192bit，如果按每128bit一个明文块来拆分的话，第二个明文块只有64bit，不足128bit。这时候怎么办呢？就需要对明文块进行填充（Padding）。AES在不同的语言实现中有许多不同的填充算法，我们只举出集中典型的填充来介绍一下。

不做任何填充，但是要求明文必须是16字节的整数倍。

如果明文块少于16个字节（128bit），在明文块末尾补足相应数量的字符，且每个字节的值等于缺少的字符数。

比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节，则补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,6,6,6,6,6,6}

如果明文块少于16个字节（128bit），在明文块末尾补足相应数量的字节，最后一个字符值等于缺少的字符数，其他字符填充随机数。

比如明文：{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节，则可能补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,5,c,3,G,$,6}

需要注意的是，如果在AES加密的时候使用了某一种填充方式，解密的时候也必须采用同样的填充方式。

AES的工作模式，体现在把明文块加密成密文块的处理过程中。AES加密算法提供了五种不同的工作模式：

ECB、CBC、CTR、CFB、OFB

模式之间的主题思想是近似的，在处理细节上有一些差别。我们这一期只介绍各个模式的基本定义。

电码本模式 Electronic Codebook Book

密码分组链接模式 CipherBlock Chaining

计算器模式 Counter

密码反馈模式 CipherFeedBack

输出反馈模式 OutputFeedBack

如果在AES加密的时候使用了某一种工作模式，解密的时候也必须采用同样的工作模式。

AES加密主要包括两个步骤： 密钥扩展 和 明文加密 。

密钥扩展过程说明（密钥为16字节）：

函数g的流程说明：

轮常量（Rcon）是一个字，最右边三个字节总为0。因此字与Rcon相异或，其结果只是与该字最左的那个字节相异或。每轮的轮常量不同，定位为Rcon[j] = (RC[j], 0, 0, 0)。（RC是一维数组）
RC生成函数：RC[1] = 1, RC[j] = 2 * RC[j – 1]。
因为16字节密钥的只进行10轮的扩展，所以最后生成的RC[j]的值按16进制表示为：

十轮的密钥扩展后，就能生成44个字大小的扩展密钥。扩展后的密钥将用于AES对明文的加密过程。

S盒是16×16个字节组成的矩阵，行列的索引值分别从0开始，到十六进制的F结束，每个字节的范围为（00-FF）。

进行字节代替的时候，把状态中的每个字节分为高4位和低4位。高4位作为行值，低4位作为列值，以这些行列值作为索引从S盒的对应位置取出元素作为输出，如下图所示：

S盒的构造方式如下：
（1） 按字节值得升序逐行初始化S盒。在行y列x的字节值是{yx}。
（2） 把S盒中的每个字节映射为它在有限域GF中的逆;{00}映射为它自身{00}。
（3） 把S盒中的每个字节的8个构成位记为(b7, b6, b5, b4, b3, b2, b1)。对S盒的每个字节的每个位做如下的变换：

ci指的是值为{63}的字节c的第i位。
解密过程逆字节代替使用的是逆S盒，构造方式为

字节d={05}。

逆向行移位将状态中后三行执行相反方向的移位操作，如第二行向右循环移动一个字节，其他行类似。

要注意，图示的矩阵的乘法和加法都是定义在GF(2^8)上的。
逆向列混淆原理如下：

轮密钥加后的分组再进行一次轮密钥加就能恢复原值.所以，只要经过密钥扩展和明文加密，就能将明文加密成密文，进行解密的时候，只需要进行逆向变换即可。

图[AES加密算法的流程]中还需要注意，明文输入到输入状态后，需要进行一轮的轮密钥加，对输入状态进行初始化。 前9轮的加密过程，都需要进行字节替代、行移位、列混淆和轮密钥加，但是第10轮则不再需要进行列混淆。

进行解密的时候，需要进行逆向字节替代，逆向行移位、逆向列混淆和轮密钥加。

4. AES算法原理

AES加密过程是在一个4×4的字节矩阵上运作，这个矩阵又称为“体（state）”，其初值就是一个明文区块（矩阵中一个
元素大小就是明文区块中的一个Byte）。（Rijndael加密法因支持更大的区块，其矩阵行数可视情况增加）加密时，
各轮AES加密循环（除最后一轮外）均包含4个步骤：

矩阵中的各字节通过一个8位的S-box进行转换。这个步骤提供了加密法非线性的变换能力。S-box与GF（28）上的乘法反元素有关，已知具有良好的非线性特性。为了避免简单代数性质的攻击，S-box结合了乘法反元素及一个可逆的仿射变换矩阵建构而成。此外在建构S-box时，刻意避开了固定点与反固定点，即以S-box替换字节的结果会相当于错排的结果。AES算法中的S盒如图2.2所示
例如一个字节为0x19，经过S盒变换查找n(1,9) = 0xd4,所以就替换为0xd4。

ShiftRows描述矩阵的行操作。在此步骤中，每一行都向左循环位移某偏移量。在AES中（区块大小128位），第一行维持不变，第二行里的每个字节都向左循环移动一格。同理，第三行及第四行向左循环位移的偏移量就分别是2和3。经过ShiftRows之后，矩阵中每一竖列，都是由输入矩阵中的每个不同列中的元素组成。

在MixColumns步骤，每一列的四个字节通过线性变换互相结合。每一列的四个元素分别当作 的系数，合并即为GF（28）中的一个多项式，接着将此多项式和一个固定的多项式在molo 下相乘。此步骤亦可视为Rijndael有限域之下的矩阵乘法。MixColumns函数接受4个字节的输入，输出4个字节，每一个输入的字节都会对输出的四个字节造成影响。因此ShiftRows和MixColumns两步骤为这个密码系统提供了扩散性。

AES算法利用外部输入密钥K(密钥串的字数为Nk),通过密钥的扩展程序得到共计4(Nr+1)字的扩展密钥。它涉及如下三个模块:
(1)位置变换(rotword)——把一个4字节的序列[A,B,C,D]变化成[B,C,D,A]；
(2)S盒变换(subword)——对一个4字节进行S盒代替；
(3)变换Rcon[i]——Rcon[i]表示32位比特字[xi-1,00,00,00]。这里的x是（02），如 Rcon[1]=[01000000]；Rcon[2]=[02000000]；Rcon[3]=[04000000]……
扩展密钥的生成：扩展密钥的前Nk个字就是外部密钥K；以后的字W[[i]]等于它前一个字W[[i-1]]与前第Nk个字W[[i-Nk]]的“异或”,即W[[i]]=W[[i-1]]W[[i- Nk]]。但是若i为Nk的倍数,则W[i]=W[i-Nk]Subword(Rotword(W[[i-1]]))Rcon[i/Nk]。

5. aes算法步骤

aes算法由四个不同的变换组成，包括一个置换和三个替代：

字节代替(SubBytes)：用一个S盒完成分组的字节到字节的代替。

行移位(ShiftRows):一个简单的置换。

列混淆(MixColumns)：利用域GF(28)上的算术特性的一个代替。

轮密钥加(AddRoundKey):当前分组和扩展密钥的一部分进行按位XOR(异或)。

输入的密钥被扩展成由44个32位子所组成的数组w[i],由上图可知，每轮有四个不同的字(128位)作为该轮到密钥。

对加密和解密的操作，算法由轮密钥加开始，接着执行9轮迭代运算，每轮都包含所有4个阶段的代替，接着是第10轮的三个阶段。

仅仅在轮密钥加阶段使用密钥。由于这个原因，该算法以轮密钥加开始，以轮密钥加结束。