[信息安全] AES128 加密/解密 --＞ state 矩阵

目录

State矩阵

[一、核心问题：state 既是输入，也是输出？](#一、核心问题：state 既是输入，也是输出？)

[二、state 到底是什么？（AES 核心结构）](#二、state 到底是什么？（AES 核心结构）)

[三、你这段代码：AES 解密流程 逐行讲解](#三、你这段代码：AES 解密流程 逐行讲解)

[四、最关键：state 全程在被修改！](#四、最关键：state 全程在被修改！)

五、一句话总结（最核心）

总结

[AES 加密 / 解密流程图](#AES 加密 / 解密流程图)

[一、先记住：state 永远是 4×4 矩阵](#一、先记住：state 永远是 4×4 矩阵)

[二、AES 加密流程（正向）](#二、AES 加密流程（正向）)

整体结构

流程图（文字版）

[三、AES 解密流程（你代码里的逻辑）](#三、AES 解密流程（你代码里的逻辑）)

整体结构

对应你代码的流程图

[四、加密 vs 解密对比图（最关键）](#四、加密 vs 解密对比图（最关键）)

[五、一句话总结 state 的一生](#五、一句话总结 state 的一生)

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State矩阵

state矩阵，即使输入也是输出？

static void aes_xcrypt(state_t *state, const uint8 *round_key, boolean decrypt)
{
    if (decrypt)
    {
        aes_add_round_key(state, AES_ROUNDS, round_key);
        for (uint32 i = 0;; i++)
        {
            aes_shift_rows(state, TRUE);
            aes_substitute_bytes(state, TRUE);
            aes_add_round_key(state, AES_ROUNDS - 1 - i, round_key);
            if (i == AES_ROUNDS - 1)
            {
                break;
            }
            aes_mix_columns(state, TRUE);
        }
    }

一、核心问题：state 既是输入，也是输出？

state_t *state 是一个指针，指向一块内存：

• 调用函数时：你把待加密 / 解密的数据放进 state 里 → 这是输入
• 函数执行完：state 里的数据被改写成加密 / 解密后的结果 → 这是输出

它不是 "传值"，而是直接修改内存里的内容，所以同一个变量，既是入参，也是出参。

二、state 到底是什么？（AES 核心结构）

AES 处理的不是零散字节，而是一个 4×4 的字节矩阵：

state[0][0]  state[0][1]  state[0][2]  state[0][3]
state[1][0]  state[1][1]  state[1][2]  state[1][3]
state[2][0]  state[2][1]  state[2][2]  state[2][3]
state[3][0]  state[3][1]  state[3][2]  state[3][3]

• 一共 16 字节（AES 分组固定大小）
• state_t 就是这个 4×4 矩阵的类型定义
• 所有 AES 变换（行移位、字节代换、列混合、轮密钥加）全部都在操作这个矩阵

三、你这段代码：AES 解密流程 逐行讲解

这段代码是 AES 解密核心函数（decrypt = TRUE 分支）。

完整逻辑（标准 AES-128 解密）

static void aes_xcrypt(state_t *state, const uint8 *round_key, boolean decrypt)
{
    if (decrypt)  // 进入解密模式
    {
        // 1. 先和【最后一轮密钥】异或（初始轮密钥加）
        aes_add_round_key(state, AES_ROUNDS, round_key);

        // 2. 循环执行 AES 轮函数（共 AES_ROUNDS 轮，通常 10 轮）
        for (uint32 i = 0;; i++)
        {
            // 逆行移位（解密专用，反向移动行）
            aes_shift_rows(state, TRUE);

            // 逆字节代换（解密用 S 盒逆表）
            aes_substitute_bytes(state, TRUE);

            // 轮密钥加：使用第 (AES_ROUNDS-1-i) 轮密钥
            aes_add_round_key(state, AES_ROUNDS - 1 - i, round_key);

            // 循环终止条件：执行完所有轮次退出
            if (i == AES_ROUNDS - 1)
            {
                break;
            }

            // 逆列混合（最后一轮不执行）
            aes_mix_columns(state, TRUE);
        }
    }
}

每一步在干嘛？

• aes_add_round_key

把 state 矩阵和轮密钥做异或（AES 必用操作）。

• aes_shift_rows(TRUE)

解密：逆行移位（把行移回去）。

• aes_substitute_bytes(TRUE)

解密：逆字节代换（用逆 S 盒查表）。

• aes_mix_columns(TRUE)

解密：逆列混合（最后一轮不做）。

四、最关键：state 全程在被修改！

整个函数没有任何返回值，所有结果都写回 *state：

• 进来：state = 密文
• 出去：state = 明文

这就是 AES 实现里最经典的 in-place 就地运算。

五、一句话总结（最核心）

• state 是 AES 的 4×4 数据矩阵
• 它是指针，所以既是输入，也是输出
• 函数所有操作都直接修改这块内存
• 解密完成后，原数据被覆盖为解密结果

总结

1. state 既是输入也是输出，因为它是指针，函数直接修改内存里的数据。
2. state 本质是 16 字节的 4×4 矩阵，AES 所有变换都围绕它进行。
3. 你这段代码是 AES 解密流程，按 "逆操作" 还原数据。
4. 函数无返回值，结果全部写回 state。

AES 加密 / 解密流程图

下面给你画最清晰、最直观的 AES 加密 / 解密流程图，专门围绕你这段代码里的 state 变化来讲。

一、先记住：state 永远是 4×4 矩阵

[ 0] [ 4] [ 8] [12]
[ 1] [ 5] [ 9] [13]
[ 2] [ 6] [10] [14]
[ 3] [ 7] [11] [15]

所有操作都在原地修改这个矩阵。

二、AES 加密流程（正向）

整体结构

• 初始轮密钥加

1. state ⊕ 第 0 轮密钥

• 循环 Nr−1 轮（Nr=10 轮 for AES-128）

1. 字节代换 SubBytes
2. 行移位 ShiftRows
3. 列混合 MixColumns
4. 轮密钥加 AddRoundKey

• 最后一轮（无列混合）

1. 字节代换 SubBytes
2. 行移位 ShiftRows
3. 轮密钥加 AddRoundKey

流程图（文字版）

明文 → [state]
       ↓
AddRoundKey (轮0)
       ↓
┌─────────────────────┐
│ SubBytes            │
│ ShiftRows           │
│ MixColumns          │
│ AddRoundKey (轮i)   │  ← 循环 Nr-1 次
└─────────────────────┘
       ↓
SubBytes
ShiftRows
AddRoundKey (轮Nr)
       ↓
密文 ← [state]

三、AES 解密流程（你代码里的逻辑）

整体结构

解密是逆序 + 逆操作

• 先和最后一轮密钥异或

1. state ⊕ 第 Nr 轮密钥

• 循环 Nr 轮

1. 逆行移位 InvShiftRows
2. 逆字节代换 InvSubBytes
3. 轮密钥加 AddRoundKey（从后往前取）
4. 不是最后一轮才做：逆列混合 InvMixColumns

对应你代码的流程图

密文 → [state]
       ↓
AddRoundKey (轮Nr)
       ↓
┌─────────────────────────┐
│ InvShiftRows            │
│ InvSubBytes             │
│ AddRoundKey (轮Nr-1-i)  │
│                         │
│ if (不是最后一轮)       │
│    InvMixColumns        │  ← 循环 Nr 次
└─────────────────────────┘
       ↓
明文 ← [state]

四、加密 vs 解密对比图（最关键）

表格

步骤	AES 加密（正向）	AES 解密（逆向）
初始	AddRoundKey (轮 0)	AddRoundKey (轮 Nr)
主体循环	SubBytes → ShiftRows → MixColumns → AddRoundKey	InvShiftRows → InvSubBytes → AddRoundKey → InvMixColumns
轮密钥顺序	0 → 1 → 2 → ... → Nr	Nr → Nr−1 → ... → 0
最后一轮	无 MixColumns	无 InvMixColumns
state	输入明文 → 输出密文	输入密文 → 输出明文

五、一句话总结 state 的一生

• 加密时state

进去是明文，出来是密文。

• 解密时state

进去是密文，出来是明文。

• 全程不复制、不返回、就地修改

→ 所以它既是输入，也是输出。