深入理解AES加密算法：原理与Python实现

深入理解AES加密算法：原理与Python实现

AES (Advanced Encryption Standard) 是目前最广泛使用的对称加密算法之一。它具有高效、安全和灵活的特点，被广泛应用于数据加密、通信加密以及各种安全协议中。本文将详细介绍AES算法的加密和解密流程，并通过Python从头实现AES的加密与解密，而不依赖任何加密算法第三方库。

1. AES算法简介

AES是一种分组加密算法，其主要特点如下：

• 分组长度：AES处理固定长度的分组，通常为128位（16字节）。
• 密钥长度：AES支持128位、192位和256位三种密钥长度。
• 轮数：加密过程中的轮数取决于密钥长度，分别为10轮（128位密钥）、12轮（192位密钥）和14轮（256位密钥）。

2. AES加密解密流程

AES的加密过程可以分为以下几个主要步骤：

1. 密钥扩展：将初始密钥扩展为多个子密钥。
2. 初始轮：初始轮中只执行AddRoundKey操作，即将明文与扩展后的第一个子密钥进行异或运算。
3. 主要轮：根据密钥长度执行10、12或14轮迭代。每轮包括四个步骤：
   • 字节代换 (SubBytes)：非线性替换操作，对数据的每个字节使用S盒进行替换。
   • 行移位 (ShiftRows)：行移位操作，对数据矩阵的行进行循环移位。
   • 列混合 (MixColumns)：线性变换操作，对数据矩阵的列进行混合运算。
   • 轮密钥加 (AddRoundKey)：将当前数据与当前轮的子密钥进行异或运算。
4. 最终轮：最后一轮中只执行SubBytes、ShiftRows和AddRoundKey操作，省略MixColumns操作。

解密过程是加密过程的逆过程，主要步骤如下：

1. 初始轮：执行AddRoundKey操作。
2. 主要轮：逆向执行AddRoundKey、逆MixColumns、逆ShiftRows、逆SubBytes操作。
3. 最终轮：执行逆ShiftRows、逆SubBytes和AddRoundKey操作。

3. Python实现AES加密解密

以下是Python代码的完整实现：

# S盒 (SubBytes 使用)
S_BOX = [
    [0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, 0xf2, 0x6b, 0x6f, 0xc5, 0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, 0xfe, 0xd7, 0xab, 0x76],
    [0xca, 0x82, 0xc9, 0x7d, 0xfa, 0x59, 0x47, 0xf0, 0xad, 0xd4, 0xa2, 0xaf, 0x9c, 0xa4, 0x72, 0xc0],
    [0xb7, 0xfd, 0x93, 0x26, 0x36, 0x3f, 0xf7, 0xcc, 0x34, 0xa5, 0xe5, 0xf1, 0x71, 0xd8, 0x31, 0x15],
    [0x04, 0xc7, 0x23, 0xc3, 0x18, 0x96, 0x05, 0x9a, 0x07, 0x12, 0x80, 0xe2, 0xeb, 0x27, 0xb2, 0x75],
    [0x09, 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a, 0xa0, 0x52, 0x3b, 0xd6, 0xb3, 0x29, 0xe3, 0x2f, 0x84],
    [0x53, 0xd1, 0x00, 0xed, 0x20, 0xfc, 0xb1, 0x5b, 0x6a, 0xcb, 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, 0xcf],
    [0xd0, 0xef, 0xaa, 0xfb, 0x43, 0x4d, 0x33, 0x85, 0x45, 0xf9, 0x02, 0x7f, 0x50, 0x3c, 0x9f, 0xa8],
    [0x51, 0xa3, 0x40, 0x8f, 0x92, 0x9d, 0x38, 0xf5, 0xbc, 0xb6, 0xda, 0x21, 0x10, 0xff, 0xf3, 0xd2],
    [0xcd, 0x0c, 0x13, 0xec, 0x5f, 0x97, 0x44, 0x17, 0xc4, 0xa7, 0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73],
    [0x60, 0x81, 0x4f, 0xdc, 0x22, 0x2a, 0x90, 0x88, 0x46, 0xee, 0xb8, 0x14, 0xde, 0x5e, 0x0b, 0xdb],
    [0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c, 0xc2, 0xd3, 0xac, 0x62, 0x91, 0x95, 0xe4, 0x79],
    [0xe7, 0xc8, 0x37, 0x6d, 0x8d, 0xd5, 0x4e, 0xa9, 0x6c, 0x56, 0xf4, 0xea, 0x65, 0x7a, 0xae, 0x08],
    [0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, 0xa6, 0xb4, 0xc6, 0xe8, 0xdd, 0x74, 0x1f, 0x4b, 0xbd, 0x8b,