密码学文献综述

密码学文献综述
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前言
密码学是研究编制密码和破译密码的技术科学。

研究密码变化的客观规律，应用于编制密码以保守通信秘密的，称为编码学；应用于破译密码以获取通信情报的，称为破译学，总称密码学。

密码学（在西欧语文中，源于希腊语kryptós“隐藏的”，和gráphein“书写”）是研究如何隐密地传递信息的学科。

在现代特别指对信息以及其传输的数学性研究，常被认为是数学和计算机科学的分支，和信息论也密切相关。

著名的密码学者Ron Rivest解释道：“密码学是关于如何在敌人存在的环境中通讯”，自工程学的角度，这相当于密码学与纯数学的异同。

密码学是信息安全等相关议题，如认证、访问控制的核心。

密码学的首要目的是隐藏信息的涵义，并不是隐藏信息的存在。

密码学也促进了计算机科学，特别是在于电脑与网络安全所使用的技术，如访问控制与信息的机密性。

密码学已被应用在日常生活：包括自动柜员机的芯片卡、电脑使用者存取密码、电子商务等等。

主题
AES（The Advanced Encryption Standard）是美国国家标准与技术研究所用于加密电子数据的规范。

它被预期能成为人们公认的加密包括金融、电信和政府数字信息的方法。

本文展示了AES的概貌并解析了它使用的算法。

包括一个完整的C#实现和加密．NET数据的举例。

在读完本文后你将能用AES加密、测试基于AES的软件并能在你的系统中使用AES加密。

美国国家标准与技术研究所(NIST)在2002年5月26日建立了新的高级数据加密标准(AES)规范。

本文中我将提供一个用C#编写的的能运行的AES 实现，并详细解释到底什么是AES 以及编码是如何工作的。

我将向您展示如何用AES 加密数据并扩展本文给出的代码来开发一个商业级质量的AES 类。

我还将解释怎样把AES 结合到你的软件系统中去和为什么要这么做，以及如何测试基于AES的软件。

注意本文提供的代码和基于本文的任何其它的实现都在联邦加密模块出口控制的适用范围之内（详情请参看Commercial Encryption Export Controls）。

AES 是一个新的可以用于保护电子数据的加密算法。

明确地说，AES 是一个迭代的、对称密钥分组的密码，它可以使用128、192 和256 位密钥，并且用128 位（16字节）分组加密和解密数据。

与公共密钥密码使用密钥对不同，对称密钥密码使用相同的密钥加密和解密数据。

通过分组密码返回的加密数据的位数与输入数据相同。

迭代加密使用一个循环结构，在该循环中重复置换（permutations）和替换(substitutions）输入数据。

AES 算法是基于置换和代替的。

置换是数据的重新排列，而代替是用一个单元数据替换另一个。

AES 使用了几种不同的技术来实现置换和替换。

当AES 的构造函数（constructor）被调用时，用于加密方法的两个表被初始化。

第一个表是代替盒称为S-盒。

它是一个16×16的矩阵。

在幕后，加密例程获取该密钥数组并用它来生成一个名为w[]的密钥调度表。

w[] 最初的Nk (6) 行被作为种子，用原始密钥值（0x00 到0x17）。

剩余行从种子密钥来产生。

变量Nk 代表以32 位字为单位的种子密钥长度。

稍后我分析AES 实现时你将清楚地看到w[] 是怎样产生的。

关键是这里现在有许多密钥使用而不只是一个。

这些新的密钥被称为轮密钥（round keys）以将它们与原始种子密钥区别开来。

AES 加密例程开始是拷贝16 字节的输入数组到一个名为State （态）的4×4 字节矩阵中。

AES 加密算法取名为Cipher，它操作State[]。

在规范中，加密算法实现的一个预备的处理步骤被称为AddRoundKey（轮密钥加）。

AddRoundKey 用密钥调度表中的前四行对State 矩阵实行一个字节一个字节的异或（XOR）操作，并用轮密钥表w[c，r] 异或输入State[r，c]。

举个例子，如果State 矩阵的第一行保存的字节是{ 00，44，88，cc }，第一列密钥调度表是{ 00，04，08，0c }，那么新的State[0，2] 值是用w[2，
0]( 0x08 或0x80 )异或State[0，2](0x88)的结果：
1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 XOR 1 0 0 0 0 0 0 0
AES 算法的主循环对State 矩阵执行四个不同的操作，在规范中被称为
SubBytes（字节替换）、ShiftRows（行位移变换）、MixColumns（列混合变换）和AddRoundKey。

除了每次循环AddRoundKey 都被调用并使用密钥调度表的下面四行外，AddRoundKey 与预备处理步骤中的AddRoundKey 相同。

SubBytes 例程是一个代替操作，它将State 矩阵中的每个字节替换成一个由Sbox 决定的新字节。

比如，如果State[0，1]的值是0x40 如果你想找到它的代替者，你取State[0，1] 的值(0x40) 并让x 等于左边的数字(4)并让y 等于右边的数字(0)。

然后你用x 和y 作为索引进到Sbox 表中寻找代替值。

ShiftRows 是一个置换操作，它将State 矩阵中的字节向左旋转。

State 的第0行被向左旋转0个位置，State 的第1行被向左旋转1个位置，State 的第2行被向左旋转2个位置，而State 的第3行被向左旋转3个位置。

MixColumns 是一个代替操作，它是理解AES 算法时最具技巧（或者说是最需要动脑筋的部分）的部分。

它用State 字节列的值进行数学域加和域乘的结果代替每个字节。

我将在下一节中详细解释专门的域加和域乘细节。

假设State[0，1] 的值是0x09，并且列1上的其它值分别为0x60，0xe1 和0x04，那么State[0，1]的新值计算如下：
State[0，1] = (State[0，1] * 0x01) + (State[1，1] * 0x02) +(State[2，1] * 0x03) +(State[3，1] * 0x01) = (0x09 * 0x01) + (0x60 * 0x02) + (0xe1 * 0x03) +(0x04 * 0x01) = 0x57
此处加法和乘法是专门的数学域操作，而不是平常整数的加法和乘法。

SubBytes、ShiftRows、MixColumns 和AddRoundKey 四个操作在一个执行Nr 次的循环里被调用，Nr 为给定密钥大小的轮数减1。

加密算法使用的轮数要么是10，12，要么是14，这依赖于种子密钥长度是128位、192 位还是256 位。

在这个例子中，因为Nr 等于12，则这四个操作被调用11次。

该迭代完成后，在拷贝State 矩阵到输出参数前，加密算法调用SubBytes、ShiftRows 和AddRoundKey 后结束。

大致说来，AES 加密算法的核心有四个操作。

AddRoundKey 使用从种子密钥值中生成的轮密钥代替 4 组字节。

SubBytes 替换用一个代替表替换单个字
节。

ShiftRows 通过旋转4字节行的 4 组字节进行序列置换。

MixColumns 用域加和域乘的组合来替换字节。

总结
新的AES 将无疑成为加密所有形式电子信息的事实上的标准，取代DES。

AES 加密的数据在某种意义上是牢不可破的，因为没有已知的密码分析攻击可以解密AES 密文，除非强行遍历搜索所有可能的256 位密钥。

我发现在Microsoft ．NET Framework 上实现AES 类的主要的障碍是官方文档是以一个数学家的观点，而不是以一个软件开发者的观点来写的。

尤其是该规范假定读者十分熟悉GF(28) 域，并省略了几个正确实现AES 所必需的关于GF(28) 乘法的关键事实。

我在本文中试图努力去掉AES 的神秘面纱，特别是围绕在GF(28) 域乘法部分的。

以．NET Framework 库的形式从Microsoft 以及第三方供应商处获得对AES 的广泛支持只是一个时间问题。

然而，处于种种理由，让本文代码作为你的技能储备仍然是有价值的。

这个实现尤其简单，并且是低资源开销。

另外，阅读并理解源代码将使你能定制AES 类且更有效地使用它的任何实现。

在任何软件设计过程中安全已不再是后顾之忧。

AES 是一个重大进步，使用并理解它将大大增加软件系统的可靠性和安全性。

参考文献：
[1] 赵雪梅．AES加密算法的实现及应用[J]．常熟理工学院学报，2010，02:105-110．
[2] 张金辉，郭晓彪，符鑫．AES加密算法分析及其在信息安全中的应用[J]．信息网络安全，2011，05:31-33．
[3] 王亮．针对AES加密算法的研究及其FPGA实现[D]．上海师范大学，2013．
[4] 赵雪梅．AES加密算法的实现及应用[J]．现代经济信息，2009，23:328-329．
[5] 杨新国．基于AES的加密技术研究及应用[D]．长春理工大学，2010．。