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图解AES密钥扩展与加密过程

news 2025/10/16 9:47:07

在嵌入式软件开发中，特别是涉及到与云端进行数据传输时，为确保数据的安全性，需要对数据进行加密，本篇了就来介绍常用的一种加密方式——AES加密的原理。

1 AES加密简介

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是一种广泛使用的对称加密算法，由美国国家标准与技术研究院（NIST）于 2001 年标准化，用于替代安全性不足的 DES 算法。

AES 的核心特性

对称加密：加密和解密使用相同的密钥，密钥长度可选择 128 位、192 位或 256 位（分别称为 AES-128、AES-192、AES-256），密钥越长，安全性越高，但计算开销也略大
分组加密：处理固定长度的明文块（128 位，即 16 字节），若明文长度不足 16 字节，需通过填充（如 PKCS#7）补足；若超过 16 字节，则分块处理并结合模式（如 CBC、GCM 等）保证安全性
AES 的加密过程是对 16 字节明文块（按 4×4 矩阵排列，称为 “状态矩阵”）进行多轮变换，轮数取决于密钥长度：
- AES-128：10 轮
- AES-192：12 轮
- AES-256：14 轮

本篇介绍最基础的128 位密钥，10轮加密，并且明文长度为16 字节不需要填充的情况。

例如：“coder-love-study”字符串刚好16个字符，只需要对这一个数据块进行加密即可。

在执行加密前，需要先将字符串转为对应的16进制数，也就是通过ASCII码表进行转换。

另外，需要注意是的，16个字节的数据块，要按列优先的顺序，排列到4x4的矩阵中，如下图：

这里再附一份ASCII码对照表：

AES-128的密钥，刚好也是4x4的矩形（种子密钥），而进行10轮加密，使用的密钥是不同的，这些密钥都是从种子密钥扩展出来的。

下面就开始介绍AES的密钥扩展和具体加密过程

2 轮密钥的计算

AES 的原始密钥（种子密钥）通过特定算法扩展为多轮子密钥（如 AES-128 需扩展为 11 个子密钥，包含初始密钥和 10 轮密钥）。

扩展过程是按列进行扩展，其计算过程主要分为两大类：

列索引是4的倍数：计算过程稍复杂
列索引不是4的倍数：计算过程稍简单

2.1 S-Box表与轮常量表

在介绍密钥扩展的具体步骤之前，先了解一下要用到的一些表

2.1.1 S-box表

是一个固定的表格，16行x16列，用于数据映射，后面字节代换时会用到

2.1.2 轮常量表

也是一个固定的表格，一共有10列，后面计算4的倍数列的密钥时会用到，10个扩展密钥分别会使用对应的列。

2.2 计算4的倍数列

先来介绍4的倍数列的扩展密钥如何结算，例如第4列（轮密钥1的最左侧的列），计算过程为：

通过i-1列（第3列）进行数据变换，包括：
- 字节旋转：就是把第3列的数据先取出来，然后循环移动1位
- S-box查表：每个数据，看作是行、列左边，去S-box中找到对应的位置，取出其存储的值，作为替换值
- 与轮常量进行异或运算
i-4列的值（第0列）与i-1列变换后的值，进行异或运算

如上图的计算过程，最终计算得到第4列的密钥为：9C A5 3F AA

S-box的映射过程举例：

异或的计算过程：

2.3 计算非4的倍数列

再来看不是4的倍数列的扩展密钥如何结算，例如第5列（轮密钥2的第2列），计算过程为：

i-4列的值（第1列）与i-1（第4列），进行异或运算即可

2.4 最终结果

按照上述方式，通过种子密钥，依次计算出扩展密钥的第4_{43列，也就得到了轮密钥1}轮密钥10，后面在多轮加密时，会分别用到对应轮的密钥。

3 加密过程解析

AES-128有10轮加密，其过程可以归类为：

初始变换
- 执行轮密钥加（种子密钥加）
9轮循环运算，每一轮的步骤相同，密钥不同
- 字节代换
- 行移位
- 列混淆
- 轮密钥加
1轮最终轮
- 字节代换
- 行移位
- 轮密钥加

3.1 初始变换

初始变换其实就是执行轮密钥加，准确的说是种子密钥加，因为初始变换使用的是种子密钥。

具体的变换过程，就是数据矩阵和种子密钥矩阵的对应位置的数据进行异或操作。

初始变换举例

3.2 9轮循环运算

9轮循环中，每轮循环依次执行如下步骤：

字节代换
行移位
列混淆
轮密钥加（依次使用密钥是前面计算出的轮密钥1~轮密钥9）

3.2.1 字节代换与行移位

字节代换，其实就是S-box表映射，前面在计算扩展密钥时就使用过，这里就是要对4x4矩阵中的每一个数据都进行S-box的映射替换。

行移位，其过程可理解为：

第1行数据不动
第2行左移1位，然后左边多出的1位数据再移动到右边
第3行左移2位，然后左边多出的2位数据再移动到右边
第4行左移3位，然后左边多出的3位数据再移动到右边

具体过程可参考下图：

3.2.2 列混淆

列混淆，是对4x4的数据再左乘一个列混淆的固定矩形。

列混淆的过程，和矩阵乘积运算是类似的，都是行列的数据先相乘再相加，不同点是：

相乘的运算，是有限域（2的8次方内）的相乘
相加的运算，替换为二进制的异或运算

有限域的相乘运算的具体过程如下：

先转换为2进制进行计算
AES的列混淆，与加密数据相乘的数据只有1、2、3这3种情况
- 与1相乘，不变
- 与2相乘，如果数据最高位是0，乘2就是左移一位，仍在有限域内；如果最高位是1，左移1位后会溢出，需要再与0x1B(AES中规定的不可约多项式的16进制表示)异或
- 与3相乘，先将3拆为1与2的异或，最终转换为先与2相乘，再与自身异或