aes[高級加密標準]

高級加密標準（英語：Advanced Encryption Standard，縮寫：AES），在密碼學中又稱Rijndael加密法，是美國聯邦政府採用的一種區塊加密標準。這個標準用來替代原先的DES，已經被多方分析且廣為全世界所使用。經過五年的甄選流程，高級加密標準由美國國家標準與技術研究院（NIST）於2001年11月26日發布於FIPS PUB 197，並在2002年5月26日成為有效的標準。2006年，高級加密標準已然成為對稱密鑰加密中最流行的算法之一。

基本信息

• 中文名：高級加密標準
• 英文名：Advanced Encryption Standard
• 提出者：Joan Daemen、Vincent Rijmen

• 提出時間：1998年
• 套用學科：密碼學
• 適用領域範圍：計算機，網路安全
• 派生自：Square
• 集成算法：Anubis, Grand Cru
• 結構：置換組合網路

沿革

Rijndael是由Daemen和Rijmen早期所設計的Square改良而來；而Square則是由SHARK發展而來。

不同於它的前任標準DES，Rijndael使用的是代換-置換網路，而非Feistel架構。AES在軟體及硬體上都能快速地加解密，相對來說較易於實作，且只需要很少的存儲器。作為一個新的加密標準，目前正被部署套用到更廣大的範圍。

設計者

該算法為比利時密碼學家Joan Daemen和Vincent Rijmen所設計，結合兩位作者的名字，以Rijndael之命名之，投稿高級加密標準的甄選流程。Rijdael的發音近於 "Rhinedoll，兩位設計者的名字，參考荷蘭語原發音可譯為尤安·達蒙、文森特·萊蒙。（Joan不能譯為女性化的名字“瓊”。另外，西歐的姓名很多是有相同拉丁文或希臘文源頭的，故譯成中文是可能相同）

形成過程

Joan Daemen 與 Vincent Rijmen

1997年4月15日，美國ANSI發起徵集AES（advanced encryption standard）的活動，並為此成立了AES工作小組。

1997年9月12日，美國聯邦登記處公布了正式徵集AES候選算法的通告。對AES的基本要求是： 比三重DES快、至少與三重DES一樣安全、數據分組長度為128比特、密鑰長度為128/192/256比特。

1998年8月12日，在首屆AES候選會議（first AES candidate conference）上公布了AES的15個候選算法，任由全世界各機構和個人攻擊和評論。

1999年3月，在第2屆AES候選會議（second AES candidate conference）上經過對全球各密碼機構和個人對候選算法分析結果的討論，從15個候選算法中選出了5個。分別是RC6、Rijndael、SERPENT、Twofish和MARS。

2000年4月13日至14日，召開了第3屆AES候選會議（third AES candidate conference），繼續對最後5個候選算法進行討論。

2000年10月2日，NIST宣布Rijndael作為新的AES。經過3年多的討論，Rijndael終於脫穎而出。

Rijndael由比利時的Joan Daemen和Vincent Rijmen設計。算法的原型是Square算法，它的設計策略是寬軌跡策略（wide trail strategy）。算法有很好的抵抗差分密碼分析及線性密碼分析的能力。

設計思想

Rijndael密碼的設計力求滿足以下3條標準：

① 抵抗所有已知的攻擊。

② 在多個平台上速度快，編碼緊湊。

③ 設計簡單。

當前的大多數分組密碼，其輪函式是Feistel結構。

Rijndael沒有這種結構。

Rijndael輪函式是由3個不同的可逆均勻變換

aes[高級加密標準]

Rijndael (State, ExpandedKey)

{

AddRoundKey (State, ExpandedKey);

for (i=1; i <Nr; i ++)

Round (State, ExpandedKey+Nb* i);

FinalRound (State, ExpandedKey+Nb*Nr)

}

Round (State, RoundKey)

{

ByteSub (State);

ShiftRow (State);

MixColumn (State);

AddRoundKey (State, RoundKey)

}

FinalRound (State, RoundKey)

{

ByteSub (State);

ShiftRow (State);

AddRoundKey (State, RoundKey)

}

密碼說明

嚴格地說，AES和Rijndael加密法並不完全一樣（雖然在實際套用中二者可以互換），因為Rijndael加密法可以支持更大範圍的區塊和密鑰長度：AES的區塊長度固定為128 比特，密鑰長度則可以是128，192或256比特；而Rijndael使用的密鑰和區塊長度可以是32位的整數倍，以128位為下限，256比特為上限。加密過程中使用的密鑰是由Rijndael密鑰生成方案產生。

大多數AES計算是在一個特別的有限域完成的。

AES加密過程是在一個4×4的位元組矩陣上運作，這個矩陣又稱為“狀態（state）”，其初值就是一個明文區塊（矩陣中一個元素大小就是明文區塊中的一個Byte）。（Rijndael加密法因支持更大的區塊，其矩陣行數可視情況增加）加密時，各輪AES加密循環（除最後一輪外）均包含4個步驟：

AddRoundKey — 矩陣中的每一個位元組都與該次輪秘鑰（round key）做XOR運算；每個子密鑰由密鑰生成方案產生。

SubBytes — 通過非線性的替換函式，用查找表的方式把每個位元組替換成對應的位元組。

ShiftRows — 將矩陣中的每個橫列進行循環式移位。

MixColumns — 為了充分混合矩陣中各個直行的操作。這個步驟使用線性轉換來混合每列的四個位元組。

1.

AddRoundKey — 矩陣中的每一個位元組都與該次輪秘鑰（round key）做XOR運算；每個子密鑰由密鑰生成方案產生。

2.

SubBytes — 通過非線性的替換函式，用查找表的方式把每個位元組替換成對應的位元組。

3.

ShiftRows — 將矩陣中的每個橫列進行循環式移位。

4.

MixColumns — 為了充分混合矩陣中各個直行的操作。這個步驟使用線性轉換來混合每列的四個位元組。

最後一個加密循環中省略MixColumns步驟，而以另一個AddRoundKey取代。

加密標準

對稱密碼體制的發展趨勢將以分組密碼為重點。分組密碼算法通常由密鑰擴展算法和加密（解密）算法兩部分組成。密鑰擴展算法將b位元組用戶主密鑰擴展成r個子密鑰。加密算法由一個密碼學上的弱函式f與r個子密鑰疊代r次組成。混亂和密鑰擴散是分組密碼算法設計的基本原則。抵禦已知明文的差分和線性攻擊，可變長密鑰和分組是該體制的設計要點。

AES是美國國家標準技術研究所NIST旨在取代DES的21世紀的加密標準。

AES的基本要求是，採用對稱分組密碼體制，密鑰的長度最少支持為128、192、256，分組長度128位，算法應易於各種硬體和軟體實現。1998年NIST開始AES第一輪分析、測試和徵集，共產生了15個候選算法。1999年3月完成了第二輪AES2的分析、測試。2000年10月2日美國政府正式宣布選中比利時密碼學家Joan Daemen 和 Vincent Rijmen 提出的一種密碼算法RIJNDAEL 作為 AES.

在套用方面，儘管DES在安全上是脆弱的，但由於快速DES晶片的大量生產，使得DES仍能暫時繼續使用，為提高安全強度，通常使用獨立密鑰的三級DES。但是DES遲早要被AES代替。流密碼體制較之分組密碼在理論上成熟且安全，但未被列入下一代加密標準。

AES加密數據塊分組長度必須為128比特，密鑰長度可以是128比特、192比特、256比特中的任意一個（如果數據塊及密鑰長度不足時，會補齊）。AES加密有很多輪的重複和變換。大致步驟如下：1、密鑰擴展（KeyExpansion），2、初始輪（Initial Round），3、重複輪（Rounds），每一輪又包括：SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey，4、最終輪（Final Round），最終輪沒有MixColumns。