AES详解（二）_aes的s盒

二、算法框架

三、数学基础

四、AES的基本变换

1.AES的数据处理方式

• 按字节处理
• 按字处理
• 按状态处理

2.状态

• 加解密过程中的中间数据
• 以字节为元素的矩阵，或者二维数组。

符号：

• Nb——明密文所含的字数
• Nk——密钥所含的字数
• Nr——迭代轮数
  • 比如：当Nb=4的状态
  • 当Nk=4的状态
• Nb、Nk、Nr之间的关系：
  • 

3.轮变换

• 注意第一张PPT为标准轮函数变换，第二张为非标准轮函数变换。二者的区别在于，后者轮变换过程中没有列混合变换。

4.S盒变换ByteSub（State）

• S盒变换是AES的唯一的非线性变换，是AES安全的关键。
• AES使用16个相同的S盒，DES使用8个不相同的S盒。
• AES的S盒有8位输入8位输出，是一种非线性置换。DES的S盒有6位输入4位输出，是一种非线性压缩。
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• 

5.行移位变换ShiftRow(State)

6.列混合变换 MixColumn(State)

7.轮密钥加变换 AddRoundKey()

1. 把轮密钥与状态进行模2相加
2. 轮密钥根据密钥生成算法产生
3. 轮密钥长度等于数据块长度

五、轮密钥的生成

1. 加密迭代中每一轮需要一个轮密钥参与加密
2. 轮密钥根据产生算法通过用户密钥得到
3. 密钥产生分两步进行：
   密钥扩展
   轮密钥选择
4. 密钥扩展将用户密钥扩展为一个扩展密钥
5. 密钥选择从扩展密钥中选出轮密钥。

密钥扩展

1. 密钥扩展产生扩展密钥
2. 用一个字元素的一维数组W[Nb*(Nr+1)] 表示扩展密钥
3. 用户密钥放在该数组最开始的Nk个字中
4. 其它的字由它前面的字经过处理后得到。
5. 分为Nk<=6和Nk>6两种扩展算法。

1.密钥扩展





2.轮密钥选择

六、AES的加密算法

七、AES的基本逆变换

• AES的加密算法不是对合运算，解密算法与加密算法不同。
• AES的巧妙之处：虽然解密算法与加密算法不同，但是解密算法与加密算法的结构相同。
• 把加密算法的基本运变换成逆变换，便得到解密算法。

AES的各个基本变换都是可逆的。

• 轮密钥加变换的逆就是其本身

• 行移位变换的逆是状态的后三行分别移位Nb-C1，Nb-C2，Nb-C3个字节。

• 列混合变换的逆
  因为列混合变换是把状态的每一列都乘以一个固定的多项式c(x)：
  所以列混合变换的逆就是状态的每列都乘以c(x)的逆多项式d(x)：
  4.S盒变换的逆

5.解密的密钥扩展

• 解密的密钥扩展与加密的密钥扩展不同；

• 解密的密钥扩展定义如下：

  • 加密算法的密钥扩展。
  • 把InvMixColumn应用到除第一和最后一轮外的所有轮密钥上。

6.逆轮变换

• 标准逆轮变换
• 最后一轮的逆变换

八、AES的解密算法

• 加密算法不是对合运算：
• 解密算法的结构与加密算法的结构相同
• 解密中的变换为加密算法变换的逆变换，且密钥扩展策略稍有不同。

解密算法：

九、AES的实现

• 适应多种环境，高效，方便是AES的突出优点。
• 由于AES的基本运算由ByteSub,MixColumn,ShiftRow和AddRoundKey构成，因此AES的实现主要是这些变换的实现。
• 其中ShiftRow和AddRoundKey的实现比较容易，因此主要是ByteSub和MixColumn变换的实现问题。
• 有了这些基本运算的实现，便可以有效地实现整个AES。

实现方法：

• 硬件
• 软件

软件方法：

• 基于算法描述
• 基于查表

1.基于算法描述的软件实现

• AES的算法描述是一种程序化的描述，便于实现。
• AES的四种基本变换都比较简单，便于实现
• 用C语言仿照算法描述，可以方便地实现
• 这种实现的速度不是最快的

2.基于查表的软件实现

• 用于查表实现算法是一种高效的软件设计方法。
• 时空折换是信息科学的基本策略
• 用查表实现算法，就是用空间换取时间。
• 目前计算机系统的存储空间大，而且便宜，为查表实现算法提供了物资基础。

S盒的查表实现

• 实现S盒变换的最快方法是，直接计算出S盒的变换的结果，并且造表存储，使用时直接查表。因为ByteSub变换是字节函数，所以表的规模不大，只含有256个元素。
• 注意：解密时用的是S盒，因此共需要造两个S盒表。

列混合变换MixColumn的查表实现
逆列混合变换Inv_MixColumn的查表实现

轮函数的查表实现

• 整个轮函数都可以通过查表和一些简单的运算来实现。

十、AES的安全性

能够抵抗目前所有的已知攻击

• 穷举攻击
• 差分攻击
• 线性攻击
• Square攻击
• 侧信道攻击

目前已有低于穷举复杂度的攻击方法，但是都还不能对AES造成本质的威胁。

1.AES的体现

• AES体现商农的密码设计理论
• 体现了公开设计原则
• AES代表当今商业密码的最高水平

2.AES需要经过实际应用的检验

• AES的大规模实际应用已经开始
• 从目前的应用来看AES是安全的
• 时间是检验AES密码安全的唯一标准。