AES算法结构解析：非Feistel，高效加密与解密

"AES的结构-密码学课件(5)_USTC" AES，全称为Advanced Encryption Standard，是高级数据加密标准，是21世纪取代DES成为主流加密算法的重要标准。AES的设计者是比利时的密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen，它在2001年被美国国家标准技术研究所（NIST）正式采纳为联邦信息处理标准（FIPS PUB 197）。 AES的结构不同于经典的Feistel密码结构，它采用了一种更为复杂的操作序列，使得加密过程更为高效且难以破解。AES的加密过程主要包含以下四个独立的运算阶段，这些阶段在解密过程中以相反的顺序进行，确保了可逆性： 1. **字节代换（SubBytes）**：这是基于一个8x8的S盒（Substitution Box）进行的操作，对128位数据块中的每个字节进行非线性替换，增加算法的混淆性。 2. **行移位（ShiftRows）**：这是一个简单的置换操作，将数据块的四行按特定模式向左移动，增强了数据块内部的错位，增加了安全性。 3. **列混淆（MixColumns）**：这个阶段利用了在GF(2^8)域上的线性变换，对每个列进行运算，使得列内的数据相互交织，增加了数据的混淆度。 4. **轮密钥加（AddRoundKey）**：这是AES中唯一使用密钥的步骤，将当前的数据块与轮密钥进行逐位异或，轮密钥是由原始密钥经过扩展得到的44个32位字组成的数组。每次迭代都使用不同的轮密钥部分，进一步增加了安全性。 AES的加密过程由多个这样的轮次组成，对于128位密钥的AES，有10轮；192位密钥的AES有12轮；而256位密钥的AES则有14轮。每一轮都包含上述四个步骤，除了最后一轮，最后一轮省略了列混淆步骤。 在解密过程中，AES使用了与加密相反的顺序执行这四个步骤，即先进行AddRoundKey，然后是InvMixColumns（列混淆的逆运算），接着是InvShiftRows（行移位的逆运算），最后是InvSubBytes（字节代换的逆运算）。由于每个阶段都是可逆的，因此可以通过解密过程准确地恢复明文。 AES的选中是经过了严格的评估和测试的，包括安全性、计算效率和实现的灵活性等方面。NIST在1997年开始征集新标准，经过多轮评估，最终在2000年选择了Rijndael作为AES的基础。AES的安全性不仅依赖于密码学专家的公开分析，还在各种环境中进行了广泛的测试，包括在软件和硬件上的实现，以及在受限空间如智能卡等设备中的应用，以确保其在不同场景下的高效性和安全性。 AES的广泛应用证明了其设计的成功，它的高效性、灵活性和安全性使其成为了现代密码学中不可或缺的一部分，广泛用于数据加密、网络安全、移动通信等多个领域。