高級加密標準(AES，advanced encryption standard)是美國的商用標準。2001年11月26日公布的AES加密標準文本替代了已使用20多年的數(shù)據(jù)加密標準(DES，data encryption standard)。

一、概述

1、AES的產(chǎn)生背景：1996年美國國家標準技術(shù)協(xié)會(NIST)開始著手開發(fā)替代DES的新標準--高級加密標準AES。2000年10月2日，對DES繼承的競爭結(jié)束。NIST認為由Katholieke大學(xué)的Vincent Rijmen、比利時的Leuven和質(zhì)子世界國際性組織的Joan Daemen聯(lián)合提交的榮代爾(Rijndael)算法是高級加密標準最好的候選者。并于2001年11月26日公布了AES加密標準文本（它是在榮代爾(Rijndael)算法基礎(chǔ)上整理修改而成的）。

DES最初由IBM提出，并在1975年被美國國家標準技術(shù)協(xié)會作為標準，從1977年開始，DES已經(jīng)經(jīng)歷了每一個有抱負密碼分析專家的攻擊。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，對DES執(zhí)行一次蠻力攻擊所需要的時間也愈來愈短，并且到20世紀末，大約用5天就能把它破譯。很明顯，作為安全裝置的DES的生命已經(jīng)結(jié)束。作為延長DES使用壽命的一種方法，三倍的DES通過使用兩倍或三倍56比特密鑰稍微改進這種情況，但是三倍的DES速度非常慢。

比較DES和AES可以發(fā)現(xiàn)，DES使用的密鑰長度為56比特，AES用的密鑰長度為128比特。后者提供更高的安全性，能抵御蠻力攻擊，并且存在擴充的可能，它能支持256比特的密鑰長度。AES算法是分組密碼，并且能夠在一個廣泛的應(yīng)用中使用硬件和軟件實現(xiàn)，如smart卡、門陣列器件、FPGA或PC軟件。這個能力也是AES算法超過競爭者的一個特征。

對于DES的懷疑，刺激了密碼工業(yè)產(chǎn)生多種可供選擇的算法，而人們感興趣的是AES所產(chǎn)生的影響。因為新標準應(yīng)用于市場需要一段時間，所以使密碼工業(yè)處于暫時的休止狀態(tài)。無可置疑，這加劇了安全市場的競爭。高級加密標準AES的確立，使美國有了支持電子商務(wù)發(fā)展的關(guān)鍵性安全工具，其電子商務(wù)和政務(wù)將更加安全保密。

2、AES的優(yōu)勢和限制

1）AES的優(yōu)勢：由于Rijndael算法總體上存在下列優(yōu)勢，因此它成為高級加密標準AES：一是對稱和平行的結(jié)構(gòu)，給實現(xiàn)者許多適應(yīng)性；不存在有效的密碼分析攻擊。二是適合現(xiàn)代計算機處理器，如奔騰、RISC和并行處理器。三是適合smart卡。四是在專用硬件中具有可塑性。下表1-2給出更為具體的說明，主要表現(xiàn)在實現(xiàn)方面、設(shè)計的簡化、可變的分組長度和可擴充性等。

表1-2：AES的優(yōu)勢

2）限制：密碼的限制主要表現(xiàn)在其逆向情況。①逆向密碼不如密碼更適合在smart卡上實現(xiàn)，它需要更多的代碼和周期（盡管如此，和其他密碼相比較，逆向密碼的處理速度還是非常快的）。 ②在軟件中，密碼和它的逆向密碼使用不同的代碼和/或表。③在硬件中，逆向密碼僅僅能夠使用密碼實現(xiàn)中的一部分電路。

二、定義

1、術(shù)語和縮寫詞表：下表2-1的解釋貫穿在AES標準中。

表2-1：術(shù)語和縮寫詞及解釋

2、算法參數(shù)、符號和函數(shù)：下表2-2的算法參數(shù)、符號和函數(shù)貫穿在AES標準中。

表2-2：算法參數(shù)、符號、函數(shù)及其解釋

三、符號和約定

AES標準中使用的符號和約定，包括輸入和輸出、字節(jié)、字節(jié)的數(shù)組、狀態(tài)和作為列數(shù)組的狀態(tài)。

1、輸入和輸出：AES算法的每一個輸入和輸出是由128比特（值為0或1）序列組成的。這個序列有時稱作塊或分組，它們包含的比特數(shù)目稱作分組長度。對于AES算法的密碼密鑰是含有128比特、192比特或256比特的序列。其他的輸入、輸出和密碼密鑰長度在這個標準中是不允許的。

序列中的比特編號從0開始，結(jié)尾處的編號值小于序列長度（分組長度或密鑰長度）。附加的一個比特的號碼i是它的指針，i的變化范圍依賴于分組長度和密鑰長度，即i的范圍如下：

0≤i＜128，0≤i＜192或0≤i＜256

2、字節(jié)：在AES算法中，基本的處理單位是字節(jié)(byte)，一個8比特的序列作為一個單一處理的實體。上述的輸入、輸出和密碼密鑰比特序列是作為字節(jié)的數(shù)組處理的，在構(gòu)成字節(jié)的數(shù)組時（下述），把比特序列中每8個相鄰的比特分劃成一組，構(gòu)成一個字節(jié)。當一個輸入、輸出或密碼密鑰用字符a表示時，那么得到的字節(jié)數(shù)組可以表示成an或a[n]，其中n的范圍詳細見下表3-2-1。

表3-2-1：密鑰長度與n的范圍

在AES算法中，所有字節(jié)值可表示在大括號內(nèi)，按由高至低位次序方式排列｛b₇b₆b₅b₄ b₃b₂b₁b₀｝。這些字節(jié)認為是有限域的元素，因此可以用下面的多項式表示：

b₇x⁷+b₆ x⁶+b₅x⁵+b₄x⁴+b₃ x³+b₂ x²+b₁x¹+b₀=∑b_ixⁱ

例如，由｛01100011}可以確定一個特殊的有限域的元素為x⁶+x⁵+x+1。為方便起見，用十六進制符號表示字節(jié)值，也就是把兩個4比特組分別用表3-2-2所示的單一字符表示。

表3-2-2：比特模式的十六進制表示

例如元素｛01100011｝能夠表示為{63}，其中每一個字符表示一個4比特組。一些有限域的操作包含一個位于8比特字節(jié)左側(cè)的附加比特（b8）。當存在這個額外的比特時，可以作為‘｛01｝’添加到前述8比特字節(jié)的左側(cè)。例如，一個9比特序列將可表示為｛01｝｛1b｝。

3、字節(jié)的數(shù)組：字節(jié)的數(shù)組形式如下：a₀a₁a₂…a₁₅

字節(jié)和字節(jié)內(nèi)部的比特排序是由下面的128比特輸入序列得到的：

input₀input₁input₂…input₁₂₆ input₁₂₇

按照下列順序確定字節(jié)和字節(jié)內(nèi)部的比特排序：

a₀=｛input₀input₁…input₇｝；a₁=｛input₈input₉…input₁₅｝；…；a₁₅=｛input₁₂₀input₁₂₁…input₁₂₇｝

上述表示的模式能夠延伸到更長的序列（也就是對于192比特和256比特密鑰的情況），因而一般可表示為：

                        a_n=｛input_8ninput_8n+1…input_8n+7｝

根據(jù)符號和約定組合起來考慮，可以得到在每一個范圍內(nèi)比特的編號方法，如表3-3所示。

表3-3：對于字節(jié)及比特的指針

4、狀態(tài)：狀態(tài)是AES密碼的中間結(jié)果，AES算法的操作都是在狀態(tài)上完成的。狀態(tài)由4行字節(jié)組成，每行包含N_b字節(jié)，其中N_b等于分組長度除以32。在用符號s表示狀態(tài)數(shù)組時，每個字節(jié)有兩個指針，一個是它所在的行數(shù)r，范圍為0≤r<4；另一個是它的列數(shù)c，范圍為0≤c<N_b。狀態(tài)的每個字節(jié)可以表示為S_r,c或s［r，c］。對于這個標準，N_b=4，也就是0≤r<4。

在密碼和逆向密碼開始時，字節(jié)的輸人數(shù)組in₀，in₁，…in₁₅要復(fù)制到如圖3-4所示的狀態(tài)數(shù)組中。然后，密碼或逆向密碼操作在這個狀態(tài)數(shù)組上進行，在它達到最終值后，要復(fù)制到輸出字節(jié)數(shù)組out₀，out₁ …out₁₅中。因此，在密碼或逆向密碼開始時，輸入數(shù)組in按照下列形式復(fù)制到狀態(tài)數(shù)組：

s［r，c］= in［r+4c］，0≤r＜4和0≤c＜N_b

并在密碼和逆向密碼結(jié)束時，狀態(tài)數(shù)組按照下列形式復(fù)制到輸出數(shù)組：

out［r+4c］＝s［r，c］，0≤r＜4和0≤c＜N_b

圖3-4：狀態(tài)數(shù)組的輸入和輸出

5、作為列數(shù)組的狀態(tài)：狀態(tài)數(shù)組的每一列的4個字節(jié)構(gòu)成一個32比特字，在每個32比特字范圍內(nèi)的4個字節(jié)可以用其所在行數(shù)r作為指針來加以區(qū)分。因此，可以認為狀態(tài)是由32比特字（列）構(gòu)成的一維數(shù)組，即為w₀，w₁，w₂，w₃，其中列數(shù)c提供這個數(shù)組的指針。對于圖3-4所示的例子，可以認為狀態(tài)是4個字的數(shù)組，其形式如下所示：

w₀=s_0,0s_1,0s_2,0s_3,0；w₁=s_0,1s_1,1s_2,1s_3,1；w₂=s_0,2s_1,2s_2,2s_3,2；w₃=s_0,3s_1,3s_2,3s_3,3

四、關(guān)于Rijndael算法

1、Rijndael加密：Rijndael是一個密鑰迭代分組密碼，包含了輪變換對狀態(tài)的重復(fù)作用。輪數(shù)Nr 的值取決于分組和密鑰的長度。對于AES，當密鑰長度為128比特時，Nr=10；當密鑰長度為192比特時，Nr=12；當密鑰長度為256比特時，Nr =14。它包括一個初始密鑰加法，記作AddRoundKey，接著進行Nr-1次輪變換(Round)，最后再使用一個輪變換(FinalRound)。輪變換由4個步驟組成：SubBytes，ShiftRows，MixColumns和AddRoundKey。最后一輪與前Nr -1次輪變換稍有不同，省掉了其中的MixColumns步驟。這四個步驟的含義詳見下表4-1。

表4-1：輪變換由4個步驟的含義

2、Rijndael解密：Rijndael解密算法有2種形式。一種是直接解密算法，即直接利用步驟InsubBytes，InvShiftRows，InvMixColumns和AddRoundKey的逆并倒置其次序?qū)?shù)據(jù)進行解密。另一種是等價解密算法。等價解密算法有利于有效實現(xiàn)良好的運算次序。

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