AES算法的安全性研究

夏宇翔

摘 要：为了防止信息丢失和非法用户的监听，信息量的安全性尤为重要。而AES算法可对通信过程中的数据进行加解密，具有高性能的安全性。文章主要介绍了AES算法的基本运算，给出了其加/解密流程，并对其安全性进行了分析研究。

关键词： 安全性；AES算法；加密；解密

中图分类号：TP309 文献识别码：A 文章编号：2095-1302（2014）07-0061-02

0引言

无线通信系统中的信息量远超过以前，为了防止信息丢失和非法用户的监听，通常要采取一系列的安全措施。尤其是在LTE/4G时代，高速信息率的大信息量，安全性尤为重要。在LTE系统中，主要采用AES算法对通信过程中的数据进行加解密，AES算法是一种高效率的对称加密算法，具备很强的扩散性能，最后形成具有很高随机性的密码，从而使信息得到有效的保护[1]。

1AES算法概述

AES算法是一种比DES算法安全性更高的分组加密算法，是美国国家标准和技术研究所（NIST）发布征集的新加密算法。它的明文分组长度和密钥长度都可以被指定为128位、192位和256位[2]。在AES计算中，有一个4×4 B的数组State，可通过多轮操作来修改。AES算法的主循环对State执行4个不同的运算：字节替换（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）、轮密钥加（AddRoundKey）。

2AES算法的基本运算

AES算法的基本运算是字节替换（SubBytes），也就是对State中的每个字节经过S-BOX查表转换。其具体的操作为对于4×4状态矩阵中每个16进制的字节，前4 b标示为x，后4 b标示为y，坐标（x，y）所确定的数即为字节替换的结果。图1所示是AES算法的字节替换图。

图 1字节替换

行移位（ShiftRows）是字节替换的基本步骤，就是对图1中1字节替换中生成的新矩阵（4行4列），以字节为单位进行循环左移操作，即第1行：不执行循环左移操作；第2行：循环左移1个字节；第3行：循环左移2个字节；第4行：循环左移3个字节。

图 2行移位

列混淆（MixColumns）则是对State的列进行复杂的转换，每一列的4个元素与一个多项式相乘，并将这一列的每一个元素扩散到这一列的全部4个元素，具体的运算如下：

S'0,C = （{02}·S0,C） （{03}·S1,C） S2,CS3,C

S'1,C = S0,C（{02}·S1,C） （{03}·S2,C） S3,C

S'2,C = S0,C S1,C （{02}·S2,C） （{03}·S3,C）

S'3,C = （{03}·S0,C）S1,CS2,C（{02}·S3,C）

这里要注意的是：如果Si,C＜128，上述公式中的{02}·Si,C =2* Si,C；如果Si,C≥128，{02}·Si,C =（2* Si,C）283，{03}·Si,C ={{02}·Si,C} Si,C。图3所示是其列混淆示意图。

轮密钥加（AddRoundKey）是在操作中，用轮密钥矩阵和状态矩阵进行简单的按位的异或运算。这里的轮密钥就是下文要提到的密钥编排所生成的轮密钥。其轮密钥加示意图如图4所示。

Rijndael有11轮密钥，标号为0～10，那些轮密钥每个都是4×4的矩阵字节。那些轮密钥通过下面所描述的密钥安排由Cipher Key所生成。初始轮密钥 （被看做是第0个轮密钥）是直接由Cipher Key组成。第0个轮密钥不做改变的用于初始密钥加[3]。剩余的轮密钥被用于其余十轮中。每一个新的轮密钥都是从上一个轮密钥中生成的。具体如表1所列。

图 3列混淆

图 4轮密钥加

表1轮密钥生成表K0 K4 K8 K12

K1 K5 K9 K13

K2 K6 K10 K14

K3 K7 K11 K15

rkr,i,j是第r个轮密钥矩阵中位置为 （i，j）的值（第i行第j列），ki,j是4×4 Cipher Key。其他轮密钥（r=1～10）可利用如下方法由前一个轮密钥计算得出。第0列的组成方式如下：

rkr,0,0=rkr-1,0,0S-box[rkr-1,1,3]round_const[r]；

rkr,1,0 = rkr-1,1,0 S-box[rkr-1,2,3]；

rkr,2,0 = rkr-1,2,0 S-box[rkr-1,3,3]；

rkr,3,0 = rkr-1,3,0 S-box[rkr-1,0,3]；

round_const[1]=1，round_const[r]= T2（round_const[r-1]）。

3Rijindael算法加密流程

加密算法流程如图5所示，首先是4×4的初始状态矩阵与4×4的初始密钥矩阵按位执行异或运算，然后执行九轮迭代轮变换，每一轮的变换由字节替换、行移位、列混淆、轮密钥加组成，终结轮变换不包含列混淆。作为Rijindael算法的最终输出结果，密文比特流从经过加密处理的状态矩阵中由左至右按列输出。

4AES的解密算法

AES的解密只需要直接利用字节替换、行移位、列混淆、轮密钥加操作的逆并倒置其次序就可以完成。当然与加密算法存在有不同的地方，第一是四种基本运算用它们相应的逆运算代替，第二是轮密钥颠倒顺序使用。

高级加密标准AES（Rijindael）算法在各个行业得到了广泛的应用，成为VPN（虚拟专用网）、SONET（同步光网络）、RAS（远程访问服务器）、移动通信、卫星通信、电子金融业务等的加密算法，并已经逐渐取代DES。

图 5加密流程

5结语

AES加密在选择过程中经受了大量的考验，并延续至今。目前为止，还没有已知的密码分析攻击可以解密AES密文。本文主要介绍了AES的应用范围，分析了AES的基本运算，描述了AES的加/解密过程。能让读者更好的了解此算法及其安全性。

参 考 文 献

[1]邓元庆，龚晶，石会.密码学简明教程[M].北京：清华大学出版社，2011.

[2]曹晓丽，王爱强.AES算法研究[J]．洛阳师范学院学报，2011（8）：74-76.

[3]吴云梅，李小文，刘丹丹.LTE中的Rjindael算法研究[J].电视技术，2010（12）：84-86.

[4]杨春德，靳杰.LTE网络S1切换中E-RAB管理的策略研究[J]. 数字通信，2013（4）：33-37.

[5]蔡清茂.基于LTE网络的防窃听算法的研究与实现[D].西安：西安电子科技大学，2013.

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收稿日期：2014-04-10

摘 要：为了防止信息丢失和非法用户的监听，信息量的安全性尤为重要。而AES算法可对通信过程中的数据进行加解密，具有高性能的安全性。文章主要介绍了AES算法的基本运算，给出了其加/解密流程，并对其安全性进行了分析研究。

关键词： 安全性；AES算法；加密；解密

中图分类号：TP309 文献识别码：A 文章编号：2095-1302（2014）07-0061-02

0引言

无线通信系统中的信息量远超过以前，为了防止信息丢失和非法用户的监听，通常要采取一系列的安全措施。尤其是在LTE/4G时代，高速信息率的大信息量，安全性尤为重要。在LTE系统中，主要采用AES算法对通信过程中的数据进行加解密，AES算法是一种高效率的对称加密算法，具备很强的扩散性能，最后形成具有很高随机性的密码，从而使信息得到有效的保护[1]。

1AES算法概述

AES算法是一种比DES算法安全性更高的分组加密算法，是美国国家标准和技术研究所（NIST）发布征集的新加密算法。它的明文分组长度和密钥长度都可以被指定为128位、192位和256位[2]。在AES计算中，有一个4×4 B的数组State，可通过多轮操作来修改。AES算法的主循环对State执行4个不同的运算：字节替换（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）、轮密钥加（AddRoundKey）。

2AES算法的基本运算

AES算法的基本运算是字节替换（SubBytes），也就是对State中的每个字节经过S-BOX查表转换。其具体的操作为对于4×4状态矩阵中每个16进制的字节，前4 b标示为x，后4 b标示为y，坐标（x，y）所确定的数即为字节替换的结果。图1所示是AES算法的字节替换图。

图 1字节替换

行移位（ShiftRows）是字节替换的基本步骤，就是对图1中1字节替换中生成的新矩阵（4行4列），以字节为单位进行循环左移操作，即第1行：不执行循环左移操作；第2行：循环左移1个字节；第3行：循环左移2个字节；第4行：循环左移3个字节。

图 2行移位

列混淆（MixColumns）则是对State的列进行复杂的转换，每一列的4个元素与一个多项式相乘，并将这一列的每一个元素扩散到这一列的全部4个元素，具体的运算如下：

S'0,C = （{02}·S0,C） （{03}·S1,C） S2,CS3,C

S'1,C = S0,C（{02}·S1,C） （{03}·S2,C） S3,C

S'2,C = S0,C S1,C （{02}·S2,C） （{03}·S3,C）

S'3,C = （{03}·S0,C）S1,CS2,C（{02}·S3,C）

这里要注意的是：如果Si,C＜128，上述公式中的{02}·Si,C =2* Si,C；如果Si,C≥128，{02}·Si,C =（2* Si,C）283，{03}·Si,C ={{02}·Si,C} Si,C。图3所示是其列混淆示意图。

轮密钥加（AddRoundKey）是在操作中，用轮密钥矩阵和状态矩阵进行简单的按位的异或运算。这里的轮密钥就是下文要提到的密钥编排所生成的轮密钥。其轮密钥加示意图如图4所示。

Rijndael有11轮密钥，标号为0～10，那些轮密钥每个都是4×4的矩阵字节。那些轮密钥通过下面所描述的密钥安排由Cipher Key所生成。初始轮密钥 （被看做是第0个轮密钥）是直接由Cipher Key组成。第0个轮密钥不做改变的用于初始密钥加[3]。剩余的轮密钥被用于其余十轮中。每一个新的轮密钥都是从上一个轮密钥中生成的。具体如表1所列。

图 3列混淆

图 4轮密钥加

表1轮密钥生成表K0 K4 K8 K12

K1 K5 K9 K13

K2 K6 K10 K14

K3 K7 K11 K15

rkr,i,j是第r个轮密钥矩阵中位置为 （i，j）的值（第i行第j列），ki,j是4×4 Cipher Key。其他轮密钥（r=1～10）可利用如下方法由前一个轮密钥计算得出。第0列的组成方式如下：

rkr,0,0=rkr-1,0,0S-box[rkr-1,1,3]round_const[r]；

rkr,1,0 = rkr-1,1,0 S-box[rkr-1,2,3]；

rkr,2,0 = rkr-1,2,0 S-box[rkr-1,3,3]；

rkr,3,0 = rkr-1,3,0 S-box[rkr-1,0,3]；

round_const[1]=1，round_const[r]= T2（round_const[r-1]）。

3Rijindael算法加密流程

加密算法流程如图5所示，首先是4×4的初始状态矩阵与4×4的初始密钥矩阵按位执行异或运算，然后执行九轮迭代轮变换，每一轮的变换由字节替换、行移位、列混淆、轮密钥加组成，终结轮变换不包含列混淆。作为Rijindael算法的最终输出结果，密文比特流从经过加密处理的状态矩阵中由左至右按列输出。

4AES的解密算法

AES的解密只需要直接利用字节替换、行移位、列混淆、轮密钥加操作的逆并倒置其次序就可以完成。当然与加密算法存在有不同的地方，第一是四种基本运算用它们相应的逆运算代替，第二是轮密钥颠倒顺序使用。

高级加密标准AES（Rijindael）算法在各个行业得到了广泛的应用，成为VPN（虚拟专用网）、SONET（同步光网络）、RAS（远程访问服务器）、移动通信、卫星通信、电子金融业务等的加密算法，并已经逐渐取代DES。

图 5加密流程

5结语

AES加密在选择过程中经受了大量的考验，并延续至今。目前为止，还没有已知的密码分析攻击可以解密AES密文。本文主要介绍了AES的应用范围，分析了AES的基本运算，描述了AES的加/解密过程。能让读者更好的了解此算法及其安全性。

参 考 文 献

[1]邓元庆，龚晶，石会.密码学简明教程[M].北京：清华大学出版社，2011.

[2]曹晓丽，王爱强.AES算法研究[J]．洛阳师范学院学报，2011（8）：74-76.

[3]吴云梅，李小文，刘丹丹.LTE中的Rjindael算法研究[J].电视技术，2010（12）：84-86.

[4]杨春德，靳杰.LTE网络S1切换中E-RAB管理的策略研究[J]. 数字通信，2013（4）：33-37.

[5]蔡清茂.基于LTE网络的防窃听算法的研究与实现[D].西安：西安电子科技大学，2013.

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收稿日期：2014-04-10

摘 要：为了防止信息丢失和非法用户的监听，信息量的安全性尤为重要。而AES算法可对通信过程中的数据进行加解密，具有高性能的安全性。文章主要介绍了AES算法的基本运算，给出了其加/解密流程，并对其安全性进行了分析研究。

关键词： 安全性；AES算法；加密；解密

中图分类号：TP309 文献识别码：A 文章编号：2095-1302（2014）07-0061-02

0引言

无线通信系统中的信息量远超过以前，为了防止信息丢失和非法用户的监听，通常要采取一系列的安全措施。尤其是在LTE/4G时代，高速信息率的大信息量，安全性尤为重要。在LTE系统中，主要采用AES算法对通信过程中的数据进行加解密，AES算法是一种高效率的对称加密算法，具备很强的扩散性能，最后形成具有很高随机性的密码，从而使信息得到有效的保护[1]。

1AES算法概述

AES算法是一种比DES算法安全性更高的分组加密算法，是美国国家标准和技术研究所（NIST）发布征集的新加密算法。它的明文分组长度和密钥长度都可以被指定为128位、192位和256位[2]。在AES计算中，有一个4×4 B的数组State，可通过多轮操作来修改。AES算法的主循环对State执行4个不同的运算：字节替换（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）、轮密钥加（AddRoundKey）。

2AES算法的基本运算

AES算法的基本运算是字节替换（SubBytes），也就是对State中的每个字节经过S-BOX查表转换。其具体的操作为对于4×4状态矩阵中每个16进制的字节，前4 b标示为x，后4 b标示为y，坐标（x，y）所确定的数即为字节替换的结果。图1所示是AES算法的字节替换图。

图 1字节替换

行移位（ShiftRows）是字节替换的基本步骤，就是对图1中1字节替换中生成的新矩阵（4行4列），以字节为单位进行循环左移操作，即第1行：不执行循环左移操作；第2行：循环左移1个字节；第3行：循环左移2个字节；第4行：循环左移3个字节。

图 2行移位

列混淆（MixColumns）则是对State的列进行复杂的转换，每一列的4个元素与一个多项式相乘，并将这一列的每一个元素扩散到这一列的全部4个元素，具体的运算如下：

S'0,C = （{02}·S0,C） （{03}·S1,C） S2,CS3,C

S'1,C = S0,C（{02}·S1,C） （{03}·S2,C） S3,C

S'2,C = S0,C S1,C （{02}·S2,C） （{03}·S3,C）

S'3,C = （{03}·S0,C）S1,CS2,C（{02}·S3,C）

这里要注意的是：如果Si,C＜128，上述公式中的{02}·Si,C =2* Si,C；如果Si,C≥128，{02}·Si,C =（2* Si,C）283，{03}·Si,C ={{02}·Si,C} Si,C。图3所示是其列混淆示意图。

轮密钥加（AddRoundKey）是在操作中，用轮密钥矩阵和状态矩阵进行简单的按位的异或运算。这里的轮密钥就是下文要提到的密钥编排所生成的轮密钥。其轮密钥加示意图如图4所示。

Rijndael有11轮密钥，标号为0～10，那些轮密钥每个都是4×4的矩阵字节。那些轮密钥通过下面所描述的密钥安排由Cipher Key所生成。初始轮密钥 （被看做是第0个轮密钥）是直接由Cipher Key组成。第0个轮密钥不做改变的用于初始密钥加[3]。剩余的轮密钥被用于其余十轮中。每一个新的轮密钥都是从上一个轮密钥中生成的。具体如表1所列。

图 3列混淆

图 4轮密钥加

表1轮密钥生成表K0 K4 K8 K12

K1 K5 K9 K13

K2 K6 K10 K14

K3 K7 K11 K15

rkr,i,j是第r个轮密钥矩阵中位置为 （i，j）的值（第i行第j列），ki,j是4×4 Cipher Key。其他轮密钥（r=1～10）可利用如下方法由前一个轮密钥计算得出。第0列的组成方式如下：

rkr,0,0=rkr-1,0,0S-box[rkr-1,1,3]round_const[r]；

rkr,1,0 = rkr-1,1,0 S-box[rkr-1,2,3]；

rkr,2,0 = rkr-1,2,0 S-box[rkr-1,3,3]；

rkr,3,0 = rkr-1,3,0 S-box[rkr-1,0,3]；

round_const[1]=1，round_const[r]= T2（round_const[r-1]）。

3Rijindael算法加密流程

加密算法流程如图5所示，首先是4×4的初始状态矩阵与4×4的初始密钥矩阵按位执行异或运算，然后执行九轮迭代轮变换，每一轮的变换由字节替换、行移位、列混淆、轮密钥加组成，终结轮变换不包含列混淆。作为Rijindael算法的最终输出结果，密文比特流从经过加密处理的状态矩阵中由左至右按列输出。

4AES的解密算法

AES的解密只需要直接利用字节替换、行移位、列混淆、轮密钥加操作的逆并倒置其次序就可以完成。当然与加密算法存在有不同的地方，第一是四种基本运算用它们相应的逆运算代替，第二是轮密钥颠倒顺序使用。

高级加密标准AES（Rijindael）算法在各个行业得到了广泛的应用，成为VPN（虚拟专用网）、SONET（同步光网络）、RAS（远程访问服务器）、移动通信、卫星通信、电子金融业务等的加密算法，并已经逐渐取代DES。

图 5加密流程

5结语

AES加密在选择过程中经受了大量的考验，并延续至今。目前为止，还没有已知的密码分析攻击可以解密AES密文。本文主要介绍了AES的应用范围，分析了AES的基本运算，描述了AES的加/解密过程。能让读者更好的了解此算法及其安全性。

参 考 文 献

[1]邓元庆，龚晶，石会.密码学简明教程[M].北京：清华大学出版社，2011.

[2]曹晓丽，王爱强.AES算法研究[J]．洛阳师范学院学报，2011（8）：74-76.

[3]吴云梅，李小文，刘丹丹.LTE中的Rjindael算法研究[J].电视技术，2010（12）：84-86.

[4]杨春德，靳杰.LTE网络S1切换中E-RAB管理的策略研究[J]. 数字通信，2013（4）：33-37.

[5]蔡清茂.基于LTE网络的防窃听算法的研究与实现[D].西安：西安电子科技大学，2013.

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收稿日期：2014-04-10