AES 加解密算法及其安全性分析

◆王亞濤

（福建省漳州臺商投資區(qū) 福建 363107）

加密算法是能夠有效保障網(wǎng)絡(luò)安全的一種技術(shù)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展，為各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域提供一種新的發(fā)展途徑。將加密算法應(yīng)用到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行當(dāng)中，能夠有效保障各種信息的傳輸安全。AES 算法是能夠保障網(wǎng)絡(luò)安全的一種技術(shù)，在當(dāng)前社會對于網(wǎng)絡(luò)安全的重視程度不斷提高的背景下，對網(wǎng)絡(luò)加解密算法AES 進(jìn)行分析，能夠?yàn)楸Ｕ嫌?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行安全提供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 AES 算法

網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，改變了許多行業(yè)和領(lǐng)域的發(fā)展方式，各個(gè)行業(yè)對于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的依賴性也在逐漸增強(qiáng)。從當(dāng)前我國計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和發(fā)展?fàn)顩r來看，許多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)還處于不設(shè)防的狀態(tài)。在這種情況下，信息泄漏的風(fēng)險(xiǎn)也比較高。為了能夠保障網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行，需要對其采取網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。而由于網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的應(yīng)用是保障網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行安全，因而安全技術(shù)只能夠依靠我國自主進(jìn)行研發(fā)。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行數(shù)據(jù)和信息數(shù)量逐漸增多、規(guī)模逐漸擴(kuò)展的背景下，原有的DES 算法已經(jīng)很難滿足維護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息安全的需要[1]。AES 算法是在DES 算法基礎(chǔ)上出現(xiàn)并發(fā)展起來的，是一種高級加密的標(biāo)準(zhǔn)算法。該算法能夠應(yīng)用128、192 以及256 位的密鑰，并通過128 位、16 字節(jié)來進(jìn)行分組加密和解密數(shù)據(jù)。在這種算法的應(yīng)用過程中，對稱密鑰的密碼需要應(yīng)用相同的密鑰加密以及解密數(shù)據(jù)才能夠?qū)崿F(xiàn)信息之間的傳遞。再加上該算法本身在加密過程中體現(xiàn)出來的復(fù)雜性特點(diǎn)，能夠有效保障網(wǎng)絡(luò)信息的安全，因而在當(dāng)前越來越重視網(wǎng)絡(luò)信息安全的背景下，AES 算法具有廣闊的發(fā)展前景[2]。

具體來說，AES 算法在實(shí)際應(yīng)用中主要會涉及到有限域、狀態(tài)矩陣和密鑰矩陣、擴(kuò)展密鑰等概念。在實(shí)際應(yīng)用AES 算法的過程中，在有限域的條件范圍之內(nèi)，將需要被加密的數(shù)據(jù)以及密鑰數(shù)據(jù)劃分成維數(shù)為4×4、4×6 或4×8 的矩陣，被加密數(shù)據(jù)組成的矩陣是狀態(tài)矩陣，而由密鑰數(shù)據(jù)組成的矩陣則是密鑰矩陣[3]。在形成矩陣之后，應(yīng)用不同的密鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行多輪次的加密，這些用于加密的所有密鑰集合被稱為擴(kuò)展密鑰。

2 網(wǎng)絡(luò)加解密算法AES 的具體分析

與以往應(yīng)用的DES 算法相比，AES 算法更能夠符合當(dāng)前社會的發(fā)展需求。AES 算法能夠通過復(fù)雜的加密過程，保障計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行。通過前面的分析可以發(fā)現(xiàn)，AES 算法所具有的應(yīng)用優(yōu)勢，使得其在未來的社會中有著廣闊的發(fā)展前景。在對網(wǎng)絡(luò)加解密算法AES 進(jìn)行分析時(shí)，主要可以從以下幾個(gè)方面來入手：

2.1 加密過程

AES 算法之所以能夠被應(yīng)用到當(dāng)前的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行當(dāng)中，最主要的原因就是這種算法本身具有良好的適應(yīng)性，且無需占據(jù)較大的儲存空間，密鑰的靈活性也比較強(qiáng)，能夠滿足對于數(shù)據(jù)信息加密和傳輸?shù)亩喾N要求[4]。而AES 算法之所以能夠體現(xiàn)出這些優(yōu)勢，最主要的原因就是AES 算法應(yīng)用的分組解密算法。

分組解密算法具體包括加密和解密兩個(gè)基本的部分，在應(yīng)用該算法的過程中，能夠通過圈變換的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對于信息的密碼設(shè)置。圈變換的函數(shù)主要會受到非線性層、擴(kuò)散層以及密鑰調(diào)度等元素的影響，在應(yīng)用中需要借助非線性替代以及線性混合函數(shù)來滿足分組解密的要求[5]。從本質(zhì)上來說，分組加密算法就是利用多種簡單的函數(shù)變化，借助密鑰調(diào)度來引入密鑰，從而更好地滿足對于算法加密效果的要求。在應(yīng)用AES 算法進(jìn)行加密時(shí)，首先需要明確AES 算法的主要結(jié)構(gòu)組成。AES 算法是建立在替代/置換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的，由初始圈密鑰、Nr-1 圈變換以及結(jié)尾圈變換三個(gè)主要的部分組成。

舉例來說，在128 位密鑰的加密過程中，在保證整個(gè)加密的過程都在明文分組狀態(tài)的前提下，首先需要輸入處于明文狀態(tài)下的字節(jié)元素。通過前面的分析可以得知，狀態(tài)矩陣以及密鑰矩陣都是由以行數(shù)的固定值為4 的多維數(shù)矩陣呈現(xiàn)出來的，因而在整個(gè)加密過程中，明文分組的狀態(tài)也可以應(yīng)用矩陣陣列圖來表示。用Nk 來表示密鑰數(shù)據(jù)矩陣的列數(shù)，用Nb 來表示被加密數(shù)據(jù)矩陣的列數(shù)。由于數(shù)據(jù)在應(yīng)用AES 算法進(jìn)行加密的過程中，需要進(jìn)行Nr+1 輪的加密環(huán)節(jié)，在行數(shù)固定的前提下，需要依據(jù)Nk 和Nb 的取值不同，依據(jù)AES 算法的對照表，列舉出在不同字節(jié)元素情況下的矩陣陣列圖。而這一圖中呈現(xiàn)的多種密碼密鑰，就是能夠?qū)γ魑姆纸M進(jìn)行加密的主要依據(jù)。在得到矩陣陣列圖之后，將明文分組按照矩陣陣列圖中列出的數(shù)據(jù)順序映射到狀態(tài)列陣當(dāng)中，將密碼密鑰也同樣按照矩陣陣列圖中呈現(xiàn)的順序映射到密碼密鑰陣列當(dāng)中。而在完成數(shù)據(jù)信息的加密過程之后，依據(jù)相同的順序進(jìn)行輸出數(shù)據(jù)的分組，從而得到多輪次加密的數(shù)據(jù)。

2.2 密鑰擴(kuò)展

結(jié)合當(dāng)前AES 算法的實(shí)際應(yīng)用情況來看，大部分情況下，AES算法在應(yīng)用中體現(xiàn)出來的加密密鑰長度都以4Nb（Nr+1）字節(jié)為主。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密的過程中，這些加密密鑰都需要依據(jù)4Nk 字節(jié)密碼密鑰的擴(kuò)展算法才能夠得到有效的實(shí)現(xiàn)。而通過前面的分析可以發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)展密鑰就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行Nr+1 輪次的擴(kuò)展來滿足數(shù)據(jù)信息的加密過程的。在密鑰擴(kuò)展的過程中，如果將密碼密鑰的每一個(gè)列稱為一個(gè)字，在Nr 個(gè)字的加密情況下，往往能夠得到Nb（Nk+1）個(gè)字的加密密鑰。結(jié)合AES 算法中擴(kuò)展算法的實(shí)際應(yīng)用情況，擴(kuò)展算法主要可以被分為Nk≤6 或Nk＞6 兩種情況。舉例來說，在Nk≤6 的應(yīng)用情況下，借助函數(shù)SubBytes（w）來進(jìn)行輸出字節(jié)的移位。當(dāng)加密密鑰的前Nk 個(gè)字都是密碼密鑰的情況下，需要對得到的密碼密鑰進(jìn)行一系列的變換，才能夠更好地滿足密鑰擴(kuò)展算法的應(yīng)用需求。在進(jìn)行密鑰擴(kuò)展的過程中，為了能夠保證AES 加密算法應(yīng)用的準(zhǔn)確性，需要在進(jìn)行函數(shù)的編程過程中仔細(xì)認(rèn)真對待，減少在編程和應(yīng)用算法中出錯(cuò)的概率，保障AES 算法的實(shí)際應(yīng)用效果。

數(shù)字循環(huán)移位運(yùn)算是密鑰擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)的主要途徑。在進(jìn)行密鑰擴(kuò)展的過程中，還可以借助Rotword（w）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對于分組數(shù)據(jù)中數(shù)字循環(huán)左移一位的運(yùn)算。在這個(gè)過程中，需要將數(shù)組中的左端第一個(gè)數(shù)字移動到數(shù)組的末端，但在應(yīng)用這種算法進(jìn)行運(yùn)算的過程中，由于數(shù)組中原有的數(shù)字已經(jīng)合并成一個(gè)數(shù)字，因而需要對數(shù)字進(jìn)行循環(huán)移位運(yùn)算。這樣不僅能夠?qū)υ械臄?shù)據(jù)和密鑰運(yùn)算過程進(jìn)行有效的簡化，還能夠通過運(yùn)算過程和步驟的簡化來提高算法的運(yùn)算效率。

2.3 解密過程

在應(yīng)用AES 算法對密鑰進(jìn)行解密的過程中，主要是以被轉(zhuǎn)換的加密算法為基礎(chǔ)的，按照加密過程相反的順序，能夠直接形成AES的解密算法。在這種背景下，AES 算法需要借助輪函數(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)加密和解密的需求，在應(yīng)用輪函數(shù)的基礎(chǔ)上，借助行位移、字節(jié)代替、列混合以及加密鑰四個(gè)計(jì)算部件，能夠有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的解密過程。

具體來說，仍以128 位密鑰為例，在應(yīng)用AES 算法進(jìn)行解密的過程中，首先需要采取行位移的方式，將狀態(tài)列陣中的各行進(jìn)行循環(huán)移位，而對于處在不同狀態(tài)下的行來說，具體的循環(huán)位移量也存在一定的差異。在進(jìn)行循環(huán)位移的過程中，從第一行開始向右移動C1 個(gè)字節(jié)，第二行向右移動C2 個(gè)字節(jié)，以此類推完成整個(gè)解密過程?？紤]被加密數(shù)據(jù)矩陣列數(shù)對其產(chǎn)生的影響，能夠在一定程度上確保位移量選擇的準(zhǔn)確性。其次，在完成行位移的操作之后，需要進(jìn)行字節(jié)代替來實(shí)現(xiàn)對于加密密鑰的有效轉(zhuǎn)換。第三，在完成字節(jié)代替的操作之后，還需要應(yīng)用列混合的方式，通過對明文分組狀態(tài)下矩陣中的每一列進(jìn)行運(yùn)算操作，用以滿足密鑰的解密需求。而在這個(gè)過程中，還需要確保列混合變換的可逆性，以此來實(shí)現(xiàn)對于加密和解密過程之間的有效轉(zhuǎn)換。最后，通過加密鑰的逆變換來最終實(shí)現(xiàn)對于數(shù)據(jù)密鑰的解密過程。

2.4 AES 實(shí)現(xiàn)過程

（1）加密處理

在明確AES 算法的實(shí)際應(yīng)用原理之后，結(jié)合以往應(yīng)用AES 算法的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，首先需要從加密處理的角度入手。結(jié)合AES 算法應(yīng)用的實(shí)際情況來看，這種算法主要是依據(jù)置換和代替原理來對數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排列和單元數(shù)據(jù)替換的。Rijndael 是AES 算法應(yīng)用的最基本的密碼算法，這種算法應(yīng)用的就是置換的組合架構(gòu)。在應(yīng)用AES 算法對數(shù)據(jù)信息加密處理的過程中，借助分組加密數(shù)據(jù)的迭代加密形成一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)，并在該結(jié)構(gòu)的運(yùn)行中完成多次重復(fù)置換和替換輸入數(shù)據(jù)的操作。

具體來說，AES 加密處理的實(shí)現(xiàn)過程，具體包括SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey 四個(gè)步驟。SubBytes 主要是指借助非線性的替換函數(shù)，以查找表為依據(jù)將其替換成相對應(yīng)的字節(jié)；ShiftRows 主要是指對矩陣陣列圖中的每個(gè)橫向進(jìn)行循環(huán)移位的過程；MixColumns 主要是指采用線性轉(zhuǎn)換的方式來將矩陣中每行內(nèi)的四個(gè)字節(jié)進(jìn)行混合的過程，以便能夠?yàn)閿?shù)據(jù)的加密提供更加便利的條件。在實(shí)際應(yīng)用AES 算法進(jìn)行加密處理的過程中，有時(shí)可以省略這一步驟；AddRoundKey 則主要是指對矩陣中的字節(jié)和子密鑰進(jìn)行XOR 運(yùn)算。在實(shí)際進(jìn)行加密處理的過程中，MixColumns 和AddRoundKey之間是可以相互取代的關(guān)系。

（2）AES 密鑰調(diào)度

從AES 密鑰調(diào)度的角度來看，AES 算法在實(shí)際應(yīng)用中具體包括密鑰擴(kuò)展以及輪密鑰選取兩個(gè)具體的部分，在將原始的密碼密鑰擴(kuò)展成一個(gè)擴(kuò)展密鑰之后，經(jīng)過多輪次的計(jì)算，將計(jì)算得到的結(jié)果呈現(xiàn)在輪密鑰調(diào)度表中，然后按照擴(kuò)展密鑰的Nb 個(gè)4 字節(jié)的順序，將輪密鑰從擴(kuò)展密鑰中取出。結(jié)合當(dāng)前AES 算法的實(shí)際應(yīng)用情況來看，10輪循環(huán)能夠滿足大部分?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用加密算法的要求，是當(dāng)前能夠有效保障網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全的最為普遍的一種算法。

3 AES 的安全性分析

結(jié)合AES 算法的加密過程、密鑰擴(kuò)展以及解密過程來看，盡管這種算法在實(shí)際應(yīng)用中仍然能夠滿足對于數(shù)據(jù)信息的加密處理和保障信息傳輸安全的需求，但這種算法仍然存在一定的缺陷和不足。與以往應(yīng)用的DES 算法相比，盡管AES 的加密算法能夠體現(xiàn)出更加安全的性能，但要想更好的保障AES 算法應(yīng)用的安全性，還需要對AES算法的破解方法進(jìn)行仔細(xì)的研究和分析。結(jié)合AES 算法的應(yīng)用原理和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在對AES 算法進(jìn)行破解時(shí)，主要可以應(yīng)用到以下幾種方法：

首先，采用最簡單的暴力破解的方法，無論是針對128 位的密鑰還是256 位的密鑰來說，都無法對應(yīng)用了AES算法的密碼進(jìn)行解密。而在密鑰長度越復(fù)雜的情況下，應(yīng)用暴力破解方法實(shí)現(xiàn)AES 破解的難度更大，消耗的時(shí)間也越來越長。

其次，應(yīng)用時(shí)間選擇攻擊的方法，是最可能對AES 算法進(jìn)行破解的方法之一。在應(yīng)用這種方法對AES 密碼進(jìn)行攻擊時(shí)，需要應(yīng)用不同的密鑰來對加密例程運(yùn)行所消耗的時(shí)間進(jìn)行精確的測量。在加密例程編碼不完善的情況下，應(yīng)用這種方法能夠讓執(zhí)行時(shí)間更依賴于密鑰值，進(jìn)而為推導(dǎo)密鑰的相關(guān)信息創(chuàng)造良好的條件。而針對這種破解方法，在應(yīng)用AES 算法的過程中，一方面需要保證加密例程編碼的完整性，另一方面也可以采取加入虛指令或?qū)⒂虺藚R總為一個(gè)查詢表的方式，保證AES 算法的實(shí)際應(yīng)用安全。

第三，采用旁道攻擊的方法，是現(xiàn)階段唯一成功實(shí)現(xiàn)AES 破解的方法。在應(yīng)用這種方法對AES 密碼進(jìn)行破解的過程中，通過攻擊實(shí)際作用于不安全系統(tǒng)上的加密系統(tǒng)，能夠比攻擊密碼本身獲得更加理想的效果。

第四，能量攻擊法是一種針對硬件加密方法的破解方法。從當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和發(fā)展?fàn)顩r來看，由于硬件加密本身具有更高的運(yùn)行速度以及更強(qiáng)的保密性等特點(diǎn)，因而能夠?qū)崿F(xiàn)對多種數(shù)據(jù)信息的有效加密。而能量攻擊法在實(shí)際的應(yīng)用過程中，主要是借助硬件加密法在運(yùn)行中消耗能量所產(chǎn)生的電流或電壓變化來檢測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的。從能量耗散以及電磁輻射等角度，借助能量消耗來實(shí)現(xiàn)對于密鑰的破解，具有成本消耗更低的特點(diǎn)。

第五，基于AES 算法的應(yīng)用原理，在對該算法進(jìn)行破解時(shí)，還可以從算法本身具有的對稱性入手，以逆序碰撞攻擊的原理來對AES 算法的應(yīng)用過程進(jìn)行分析。結(jié)合AES 算法的實(shí)際應(yīng)用情況來看，該破解方法的應(yīng)用效率較高，但由于最終的破解結(jié)果存在較大的不確定性，因而破解AES 算法的實(shí)際效果并不明顯。

綜上所述，網(wǎng)絡(luò)加解密算法AES 的應(yīng)用，能夠?qū)ΡＵ暇W(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行安全起到重要的作用。結(jié)合當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)行業(yè)發(fā)展的情況可以看出，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行安全是最為重要的一項(xiàng)工作。從加密過程、密鑰擴(kuò)展、解密過程以及算法的實(shí)現(xiàn)過程等方面來看，將AES 算法應(yīng)用到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行當(dāng)中，能夠?qū)S護(hù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行安全起到重要的作用，能夠?yàn)楫?dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行發(fā)展創(chuàng)造良好的條件。