AES—128分析 | xiaowaaa的博客

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AES-128加密算法详解

前言：

很早之前就像进行加密算法这类的研究了，一直在拖延，今天完成一下对他的研究。下面的解释如有错误，请各位师傅进行指出修改，感谢！

加密逻辑概略：

我先简单说明一下他的加密流程以及他每一步加密的含义

先来放一张加密流程图：（网上找的一张，感觉这个写的很好）

加密流程

先对这个流程简单说一下：

首先，我们可以看到这个明文先进行了一波轮密钥加，这个轮密钥加是什么呢，我们要先知道他的明文与key是怎么存储的

字节存储

这是我自己起的名，实际是说明明文与密文的存储，可以看成将数据存储到一个4x4的矩阵中，按照 从上到下，从左到右 进行排序

假如明文是“ABCDEFGHIJKLMNOP”

密文也是这样存储的

对于key，他的存储也是放在矩阵中，但是会通过一个密钥编排函数，将这个密钥扩展成一个44字的序列，命名为W[0],W[1],W[2]...W[43],每组4个字，分别用于10轮加密运算中的轮密钥加

给个图

还是给个例子具体分析一下：

key=”abcdefghijklmnop”

我们的key还是像明文一样设置成4x4的矩阵中

所以这样来说就是

W[0]=K0 K1 K2 K3="ABCD"

其他也都这样来划分的，此时肯定就会说W5怎么进行划分a，他已经用完K0到K15了

密钥扩展：

此时的密钥扩展就是通过递归的方式产生了，分为两种情况

1、如果 i 是 4 的倍数 W[i]=W[i-4]⨁T(W[i-1])

2、如果 i 不是4 的倍数 W[i]=W[i-4]⨁W[i-1]

此时我们还是用key=“abcdefghijklmnop”，所以下面就是

W[0] = 3C A1 0B 21 W[1] = 57 F0 19 16 W[2] = 90 2E 13 80 W[3] = AC C1 07 BD

接下来不就是求W[4]了吗，此时i （i=4）正好是4的倍数

公式： W[i]=W[i-4]⨁T(W[i-1])

此时的T是一个函数，这个函数包括字循环、字节代换和轮常量异或

a.字循环：将一个字中的四个自己循环左移一个字节，即将输入

字[b0, b1, b2, b3] 变换成字[b1,b2,b3,b0]

b.字节代换：对字循环的结果使用S盒进行字节代换（下面会具体来说）

c.轮常量异或：将前两步的结果同轮常量Rcon[j]进行异或，其中j表示轮数

下面进行具体的例子讲解W[4]，W[5]什么的只取最后一步异或

轮密钥加：

轮密钥加是将128位轮密钥Ki同状态矩阵中的数据进行逐位异或操作，如下图所示。其中，密钥Ki中每个字W[4i],W[4i+1],W[4i+2],W[4i+3]为32位比特字，包含4个字节，他们的生成算法下面在下面介绍。轮密钥加过程可以看成是字逐位异或的结果，也可以看成字节级别或者位级别的操作。也就是说，可以看成S0 S1 S2 S3 组成的32位字与W[4i]的异或运算。

给个图就非常容易理解了

字节代换：

这个很好理解，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

S盒：

这个举例子就非常容易理解：

比如咱的原来的值是12，那么经过字节代换之后的值就是从上面的S盒的序号为1的行1和序列为2的列取值，就是82

这样容易理解了

这里也是标准AES进行魔改的地方，因为S盒是自己给的，我只要修改S盒，那么加密肯定也会发生变化

逆字节代换：

原理相同，此处我只贴一个逆S盒

行移位：

行移位

这个也非常容易理解

逆行移位

行移位的逆变换是将状态矩阵中的每一行执行相反的移位操作，例如AES-128中，状态矩阵的第0行右移0字节，第1行右移1字节，第2行右移2字节，第3行右移3字节

两者区别就是一个向左一个向右

列混合：

我觉得这个比较困难，我先引用大佬的进行解释，明天在代码里面进行讲解

列混合

列混合变换是通过矩阵相乘来实现的，经行移位后的状态矩阵与固定的矩阵相乘，得到混淆后的状态矩阵，如下图的公式所示：

状态矩阵中的第j列(0 ≤j≤3)的列混合可以表示为下图所示：

其中，矩阵元素的乘法和加法都是定义在基于GF(2^8)上的二元运算,并不是通常意义上的乘法和加法。这里涉及到一些信息安全上的数学知识，不过不懂这些知识也行。其实这种二元运算的加法等价于两个字节的异或，乘法则复杂一点。对于一个8位的二进制数来说，使用域上的乘法乘以(00000010)等价于左移1位(低位补0)后，再根据情况同(00011011)进行异或运算

贴一下课本上的图片：

这个地方我觉得有个b站up主讲的很好

https://www.bilibili.com/video/BV1i341187fK/?spm_id_from=333.1007.top_right_bar_window_history.content.click&vd

下面贴一个例子：

初始

列混合逆运算：

使用下面的公式

原理基本是这样的，明天简单写写代码的实现以及IDA进行反编译的样子分析。