AES与CMAC原理及应用探索

"AES-与基于AES-的CMAC_New.docx" AES（Advanced Encryption Standard），即高级加密标准，是目前广泛使用的对称加密算法之一，主要用于保护数据的隐私和安全。该标准由NIST（美国国家标准与技术研究所）在2001年采纳，旨在替换之前的DES（Data Encryption Standard）。AES的加密过程主要由四个基本操作组成：字节替换（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）以及轮密钥加（AddRoundKey）。 1. AES加密过程： - 字节替换（SubBytes）：这是非线性的一步，使用预定义的S盒（S-box）进行字节替换。S盒是一个8x8的查找表，它将每个8位输入字节转换为不同的8位输出字节，增强了算法的混淆性。 - 行移位（ShiftRows）：这一操作只影响状态矩阵的行，每行按照特定规则向左循环移位，增强了行之间的依赖关系。 - 列混淆（MixColumns）：这一步发生在每一列上，通过一个线性变换混合列中的字节，增加了列间的相互依赖性。 - 轮密钥加（AddRoundKey）：在每个步骤之后，都会将当前状态矩阵与轮密钥进行异或操作，结合密钥与数据，确保每个步骤的结果都不相同。 AES有三种不同版本，根据密钥长度的不同，分别是AES-128（128位密钥）、AES-192（192位密钥）和AES-256（256位密钥）。实验中采用的是AES-128。 2. AES解密过程： - 逆向字节替代（InvSubBytes）：解密时，使用S盒的逆运算进行字节替换。 - 逆向行移位（InvShiftRows）：与加密过程相反，行移位操作进行右移。 - 逆向列混淆（InvMixColumns）：列混淆的逆操作，也用于解密过程。 - 轮密钥加（AddRoundKey）：解密时同样进行轮密钥加，但使用的是解密轮密钥。 3. AES密钥扩展： 因为原始密钥长度有限，AES需要一个密钥扩展过程来生成每轮所需的扩展密钥。AES-128的原始密钥为128位，通过扩展算法可以生成11个额外的4×4字节矩阵，总共10轮加密和1轮最后的轮密钥加。 4. CMAC（Cipher-based Message Authentication Code）原理： CMAC是一种基于密码的消息认证码算法，它利用对称密钥加密算法（如AES）生成消息认证码，确保消息的完整性和来源的合法性。CMAC的计算过程中，对消息进行多次加密，结合特定的密钥处理，产生一个固定长度的MAC值。这个MAC值可以作为消息的数字签名，接收方通过验证MAC值来确认消息未被篡改。 在实际应用中，AES和CMAC结合使用，可以提供高效且安全的数据保护方案，常用于网络安全、移动通信以及数据存储等领域。