LV010-AES简介
一、AES 简介
高级加密标准（英语：A dvanced E ncryption S tandard，缩写：AES），又称 Rijndael 加密法（荷兰语发音：[ˈrɛindaːl]，音似英文的“Rhine doll”），是 美国联邦政府 采用的一种 区块加密 标准。这个标准用来替代原先的 DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。经过五年的甄选流程，高级加密标准由 美国国家标准与技术研究院（NIST）于 2001 年 11 月 26 日发布于 FIPS PUB 197，并在 2002 年 5 月 26 日成为有效的标准。现在，高级加密标准已然成为 对称密钥加密 中最流行的 算法 之一。
AES 的产生是为了解决 DES 存在的密钥长度过短、安全性不足等问题，以适应当时互联网和电子商务快速发展的需求。
它是一种分组加密标准，每个加密块大小为 128 位，允许的密钥长度为 128、192 和 256 位。它是一种 对称加密算法，它是目前应用最广泛的加密算法之一。AES 算法具有高效性、安全性和可靠性，被广泛用于数据保护、网络通信以及安全传输等领域。
二、AES 安全性
1. 安全性分析
1.1 轮数与密钥长度
AES 为分组密码，分组密码也就是把明文分成一组一组的，每组长度相等，每次加密一组数据，直到加密完整个明文。在 AES 标准规范中，分组长度只能是 128 位，也就是说，每个分组为 16 个字节（每个字节 8 位）。密钥的长度可以使用 128 位、192 位或 256 位。密钥的长度不同，推荐加密轮数也不同，如下表所示：
| AES | 密钥长度（32 位比特字) | 分组长度(32 位比特字) | 加密轮数 |
|---|---|---|---|
| AES-128 | 4 | 4 | 10 |
| AES-192 | 6 | 4 | 12 |
| AES-256 | 8 | 4 | 14 |
一般来说，密钥长度越长，破解难度越大，安全性越高。推荐使用 256 位密钥以获得最高级别的安全性。AES 的安全性与轮数有关，一般 128 位密钥对应 10 轮，192 位密钥对应 12 轮，256 位密钥对应 14 轮。增加轮数可以增强加密算法的安全性，但也会增加计算成本。
选择 AES 的密钥长度时，应根据所需的安全级别和性能需求来决定：
（1）对于一般应用，128 位密钥已经足够安全，而且具有较好的性能表现。
（2）如果需要更高级别的安全性，可以选择 192 位或 256 位密钥。256 位密钥提供了最高级别的安全性，但会增加加密和解密的计算成本。
（3）在实际应用中，应权衡安全性和性能需求，选择合适的密钥长度。
1.2 S 盒设计
AES 的 S 盒（Substitution Box）经过专门设计，具有良好的非线性性和扩散性，增强了 AES 的安全性。S 盒的设计是 AES 抵抗差分攻击和线性攻击的关键。
S 盒是什么？S 盒 - Wikiwand / articles
在密码学中，一个 S 盒（Substitution-box，替换盒）是对称密钥加密算法执行替换计算的基本结构。在块密码中，它们通常用于模糊密钥与密文之间的关系——香农的混淆理论。
通常，S-Box 接受特定数量的输入比特 m，并将其转换为特定数量的输出比特 n，其中 n 不一定等于 m。一个 m×n 的 S 盒可以通过包含 2m 条目，每条目 n 比特的查找表实现。S 盒通常是固定的（例如 DES 和 AES 加密算法）, 也有一些加密算法的 S 盒是基于密钥动态生成的（例如 Blowfish 和双鱼算法加密算法）。DES 的 6×4 位 S 盒（S5）是一个很好的例子：
S 5 中间四个比特 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 首尾比特 00 0010 1100 0100 0001 0111 1010 1011 0110 1000 0101 0011 1111 1101 0000 1110 1001 01 1110 1011 0010 1100 0100 0111 1101 0001 0101 0000 1111 1010 0011 1001 1000 0110 10 0100 0010 0001 1011 1010 1101 0111 1000 1111 1001 1100 0101 0110 0011 0000 1110 11 1011 1000 1100 0111 0001 1110 0010 1101 0110 1111 0000 1001 1010 0100 0101 0011 给定 6 比特输入，将首尾两个比特作为行条件、中间四个比特（inner four bits）作为列条件进行查表，最终获得 4 比特输出。例如，输入“011011”，通过首尾两个比特“01”和中间的比特“1101”进行查表，最终的输出应该是“1001”。
1.3 密钥调度算法
AES 使用密钥调度算法生成轮密钥，确保生成的轮密钥与原始密钥无关，增加了密码的复杂性，提高了安全性。
2. 抗攻击性能
AES 具有很好的抗攻击性能，主要表现在以下几个方面：
差分攻击（Differential Cryptanalysis）： AES 对差分攻击有较好的抵抗能力，这种攻击方式需要大量的明文-密文对来分析密码算法的性质，而 AES 的 S 盒设计和轮函数的复杂性使得差分攻击变得更加困难。
线性攻击（Linear Cryptanalysis）： AES 对线性攻击也有较好的抵抗能力，线性攻击利用线性逼近的特性来破解密码算法，AES 的设计使得线性攻击难以成功。
三、AES 的应用
1. 在数据加密中的应用
AES 在数据加密中被广泛应用，用于保护数据的机密性和完整性。以下是 AES 在数据加密中的一些常见应用：
（1）文件加密： AES 可用于加密文件，确保文件在存储或传输过程中不被未经授权的访问者获取。
（2）数据库加密： 数据库中的敏感数据可以使用 AES 进行加密，以防止数据库泄露导致数据泄露。
（3）通信加密： 在网络通信中，AES 可用于加密通信内容，确保通信数据的机密性，防止被窃听者获取敏感信息。
（4）移动设备加密： 移动设备中的数据可以使用 AES 进行加密，保护用户的个人信息和隐私数据。
2. 在网络安全中的应用
AES 在网络安全中扮演着重要的角色，用于保护网络通信的安全性。以下是 AES 在网络安全中的一些应用：
（1）VPN 加密： 虚拟私人网络（VPN）中的数据通常使用 AES 进行加密，确保远程访问者和分支机构之间的通信安全。
（2）SSL/TLS 加密： 在 Web 通信中，SSL/TLS 协议使用 AES 加密算法来保护网站和用户之间的数据传输，确保数据的机密性。
（3）数据包加密： 网络数据包可以使用 AES 进行加密，防止中间人攻击和数据篡改。
（4）数字签名： AES 也可以与数字签名算法结合使用，确保数据的完整性和认证性。
3. 在软件和硬件中的实现
AES 可以在软件和硬件中实现，提供数据加密和解密功能。在软件中，AES 通常通过调用加密库或使用加密算法实现。在硬件中，AES 可以通过专用的加密芯片或 FPGA 实现加速加密运算。
在软件中实现 AES 时，可以使用各种编程语言（如 C、C++、Java 等）提供的加密库，或者使用开源的加密算法库（如 OpenSSL、Crypto++等）来实现 AES 算法。
在硬件中实现 AES 时，可以使用专门设计的加密芯片（如 TPM 芯片）或者使用 FPGA（现场可编程门阵列）来加速 AES 加密运算。硬件实现通常能提供更高的性能和安全性，适用于对加密性能要求较高的场景。
参考资料：
深入理解高级加密标准（Advanced Encryption Standard） - Amd794 - 博客园