1、什么是AES加密算法

什么是加密算法？我在文章《从个人角度看什么是加密算法》中描述了我对加密算法的一些浅薄的理解。我不是信息安全领域的大神，只求有一个入门罢了！

这篇文章是文章《从个人角度看什么是加密算法》的延伸，所以在阅读前，请务必仔细阅读并理解上一篇文章的内容。

既然加密算法本质上是对明文和密钥的一系列运算，那么AES加密算法就是一种被定义的具有明确运算方式的过程。这个运算过程不可能简单，不然它也不会成为目前应用最广泛的加密算法。

AES，Advanced Encryption Standard，高级加密标准，又称Rijndael加密法。是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES（Data Encryption Standard），已经被多方分析且广为全世界所使用。经过五年的甄选流程，高级加密标准由美国国家标准与技术研究院 （NIST）于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。

AES是对称加密算法，这说明它的加解密使用的密钥相同，且它的加密算法可逆。

1.1、AES的基本结构

AES是分组密码。分组密码就是把明文分成一组一组的，每组长度相等，每次加密一组数据，直到加密完整个明文。

AES规定自己的分组长度固定为128位，16个字节。密钥长度则可以是128、192或256位。密钥的长度不同，推荐加密轮数也不同，如下表所示：

所谓的加密轮数，就是对分组数据进行一轮加密，对于AES-128算法来说，共进行10轮加密，其中前9轮加密方式相同，第10轮不同，最终得到的就是密文。

比如明文P，使用加密函数：

C = encrypt(P, K);

加密后得到密文C。在加密函数encrypt()里，共进行10轮计算，前9轮每一轮都是对分组数据P1进行加减乘除，得到的结果P2再进行加减乘除，最后1轮加减乘没有除。运算过程中别忘了让密钥K参与进来。

上面只是举个例子！

实际AES加密中前9轮的操作并不是加减乘除，而是：字节代换、行位移、列混合和轮密钥加。第10轮也并不是加减乘，而是：字节代换、行位移、轮密钥加，不执行列混合。

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矩阵（矩阵中一个元素大小就是明文中的一个Byte字节）。 明文分组的16个字节如何在这个4x4的矩阵中排列呢？遵循：从上到下、从左到右排序。假设明文分组的数据为abcdefghijklmnop，分别对应为：P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13、P14、P15，存储在内存中是以编码后的数据保存：0x61、0x62、0x63、0x64、0x65、0x66、0x67、0x68、0x69、0x6A、0x6B、0x6C、0x6D、0x6E、0x6F、0x70。明文数据保存在字节矩阵中的位置为：

实际参与运算的是最后一个矩阵！

不只是明文数据需要放在矩阵表中参与运算，128位密钥K（以AES-128为例）也是用4x4矩阵表示，以字节为单位：K0、K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9、K10、K11、K12、K13、K14、K15，按从上到下、从左到右顺序排列：

每一轮都需要这样的一个密钥矩阵（128位，16个字节）参与运算，每一轮的密钥又不能相同，而AES-128算法传入的密钥只有128位。怎么办呢？

在加密算法中，会对传入的128位原始密钥通过一个密钥编排函数生成10个密钥矩阵，加上原始密钥矩阵共11个。在第一轮加密前，需要将明文和原始密钥进行一次异或加密操作，然后10轮加密操作分别用生成的10个密钥矩阵参与运算。

下面简单介绍下每轮加密的四个操作：字节代换、行位移、列混合和轮密钥加。

1.1.1、字节代换

AES的字节代换其实就是一个简单的查表操作。AES定义了一个S盒和一个逆S盒。每个盒是一个16x16的字节矩阵。需要字节代换的4x4的数据矩阵，每个字节值的高4位作为行值（0-15），低4位作为列值（0-15），在S盒上查找到对应的单元的字节值，全部替换掉即可。如果是解密，就使用逆S盒。

1.1.2 行位移

行移位是一个简单的左循环移位操作。数据矩阵的第0行左移0字节，第1行左移1字节，第2行左移2字节，第3行左移3字节。

1.1.3 列混合

这里的运算我看不大懂！

1.1.4 轮密钥加

数据矩阵与密钥矩阵对应字节位进行异或操作

密文的解密操作不只是加密的10轮操作的逆操作（10-9-8-7-6-5-4-3-2-1），还是每轮中的逆操作（轮密钥加-列混合-行位移-字节代换），还是每个操作的逆操作（比如行位移本来是往左移，逆操作就往右移，字节代换本来是在S盒中查找替换，逆操作就是在逆S盒中查找替换）。

AES算法详细介绍请参考：/qq_28205153/article/details/55798628?spm=1001..3001.5506。写的非常好！！！

2、AES加密模式

AES加密模式共五种：CBC、ECB、CTR、OCF、CFB。它们每轮加密使用的方法都相同，不同的点在于传入的128位明文数据在加密前需要做一些额外的运算。比如CBC模式，就需要多传入一个初始值，让其与明文分组矩阵进行异或操作，然后再进行10轮加密操作。

五种加密模式的详细介绍请参考：/starwolf/p/3365834.html