密码学之AES算法

文章目录

[1. AES简介](#1. AES简介)
- [1.1 AES算法的历史背景](#1.1 AES算法的历史背景)
- [1.2 AES算法的应用领域](#1.2 AES算法的应用领域)
[2. AES加解密流程图](#2. AES加解密流程图)
[2. AES算法原理](#2. AES算法原理)
- [2.1 AES加密过程](#2.1 AES加密过程)
- [2.2 AES解密过程](#2.2 AES解密过程)

1. AES简介

1.1 AES算法的历史背景

AES算法，全称为Advanced Encryption Standard（高级加密标准），是由美国国家标准与技术研究所（NIST）于2001年正式采纳的一种对称密钥加密标准。它的前身是DES（Data Encryption Standard）算法，由于DES的密钥长度较短（56位有效密钥），在计算能力迅速提升的背景下，其安全性受到了挑战。

AES的选定过程是公开和透明的，NIST在全球范围内征集候选算法，最终比利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen设计的Rijndael算法胜出。AES算法不仅安全性高，而且在各种硬件和软件平台上都表现出了优异的性能。

1.2 AES算法的应用领域

AES算法因其高安全性和高效率，在多个领域得到了广泛应用：

网络安全：AES常用于保护网络传输的数据，如VPN和SSL/TLS协议中的数据加密。
数据存储：在数据库和文件系统中，AES用于加密敏感数据，防止未授权访问。
移动设备：智能手机、平板电脑等移动设备中的数据保护常采用AES算法。
电子商务：在线交易中，AES用于确保交易数据的安全性。
政府和军事：在需要高安全性的政府和军事通信中，AES算法被广泛采用。

2. AES加解密流程图

加密是否开始初始化向量IV 密钥Key SubBytes 字节替代 ShiftRows 行移位 MixColumns 列混淆 AddRoundKey 轮密钥加判断是否为最后一轮输出密文更新轮密钥结束

2. AES算法原理

2.1 AES加密过程

AES加密算法是一种对称加密算法，其加密过程包括几个关键步骤：字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）、和轮密钥加（AddRoundKey）。以下是AES加密过程的详细描述：

初始化：将明文分割成128位（16字节）的块，并将初始轮密钥准备好。
轮密钥加：将明文块与初始轮密钥进行按位异或操作。
字节替代：使用AES的S盒，将每个字节替换为对应的值。
行移位：对状态矩阵的每一行进行循环左移。
列混淆：使用特定的矩阵乘法对每一列进行混淆。
轮密钥加：再次与轮密钥进行按位异或操作。
迭代：重复步骤3到6，进行多轮加密，轮数取决于密钥长度。
最终轮：执行字节替代、行移位和轮密钥加，但不进行列混淆。

轮密钥加循环左移按位异或迭代操作最终轮初始化明文与初始轮密钥异或字节替代行移位列混淆与轮密钥加多轮加密字节替代
行移位
轮密钥加输出密文

以下是使用Python实现AES加密的示例代码：

python 复制代码

from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Util.Padding import pad

# 明文和密钥
plaintext = b'This is a secret message that needs to be encrypted.'
key = b'Sixteen byte key'

# 创建加密器
cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)
# 加密数据
ciphertext = cipher.encrypt(pad(plaintext, AES.block_size))

print('Encrypted:', ciphertext)

2.2 AES解密过程

AES解密过程是加密过程的逆操作，包括逆字节替代、逆行移位、逆列混淆和轮密钥加。以下是解密过程的详细描述：

初始化：准备密文块和解密轮密钥。
逆轮密钥加：将密文块与解密轮密钥进行按位异或操作。
逆列混淆：对状态矩阵的每一列进行逆混淆操作。
逆行移位：对状态矩阵的每一行进行逆循环左移。
逆字节替代：使用逆S盒，将每个字节还原为原始值。
迭代：重复步骤3到5，进行多轮解密，轮数与加密时相同。
最终轮：执行逆列混淆、逆行移位和逆轮密钥加。

逆轮密钥加逆循环左移迭代操作最终轮初始化密文与轮密钥异或逆列混淆逆行移位逆字节替代多轮解密逆列混淆
逆行移位
逆轮密钥加输出明文

以下是使用Python实现AES解密的示例代码：

python 复制代码

from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Util.Padding import unpad

# 密文和密钥
ciphertext = b'...'  # 此处应为加密后得到的密文
key = b'Sixteen byte key'

# 创建解密器
cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)
# 解密数据
plaintext = cipher.decrypt(ciphertext)
# 去除填充
plaintext = unpad(plaintext, AES.block_size)

print('Decrypted:', plaintext)

请注意，实际使用中应避免使用ECB模式，因为它不提供模式下的安全性。建议使用CBC、CFB或其他更安全的模式。此外，密钥长度应根据安全需求选择128位、192位或256位。