AES算法详解：Rijndael密钥扩展

"密钥扩展在AES加密标准中的应用" AES（Advanced Encryption Standard），即高级加密标准，是现今广泛使用的对称加密算法，用于保护敏感数据。AES的起源可以追溯到1997年，当时美国国家标准与技术研究所（NIST）发起竞赛，寻找新的加密标准来替代DES（Data Encryption Standard）。经过多轮筛选，最终由比利时的Joan Daemen和Vincent Rijmen提出的Rijndael算法脱颖而出，成为AES。 AES的设计原则强调了安全性、可实现性和简洁性。它是一个分组密码，其特点是分组长度和密钥长度可以独立调整，支持128位、192位和256位的分组以及相同长度的密钥。这种灵活性使得AES在不同平台和应用场景下都能表现出良好的性能。 AES算法的核心操作包括字节替换（ByteSubstitution）、字节轮换（ByteRotation）和列混合（MixColumn），这些操作在多个轮次中重复进行，每轮结束后会加上一轮密钥（Round Key）。密钥扩展是AES的一个关键步骤，它的目的是将初始的较短密钥扩展成足够多的轮密钥，供每轮加密使用。这个过程确保了即使初始密钥被暴露，后续的轮密钥仍然保持安全。 在密钥扩展过程中，原始密钥（如K0、K1、K2、K3所示）通过一系列非线性变换和线性变换得到扩展，形成K0到K7等更长的密钥序列。例如，初始的128位密钥会被扩展成11轮的密钥，每轮加密使用一个不同的子密钥。这个过程涉及到S盒（SubBytes）非线性转换、行移位（ShiftRows）和列混淆（MixColumns）等操作，以及密钥加（KeyAddition）。 在AES加密过程中，明文数据被组织成一个4行 Nb列的矩阵，其中Nb是分组长度除以32的结果。对于128位的明文，Nb等于4，而192位和256位的明文，Nb依然为4，但矩阵包含更多的字节。明文矩阵经过字节替换、字节轮换和列混合的组合操作，然后与轮密钥进行异或，完成一轮加密。最后一轮不执行列混合，以确保解密过程的可逆性。 AES加密标准通过其独特的密钥扩展机制，结合字节替换、字节轮换和列混合等操作，提供了一种高效且安全的数据加密方法。这种设计使得AES在现代信息安全领域扮演着至关重要的角色，广泛应用于数据存储、网络通信和各种安全协议中。