DAY 9- 《區塊密碼2》AES(1)- 加密過程

2021 iThome 鐵人賽

DAY 9

Security

學密碼學也猜不到你的手機密碼系列第 9 篇

13th鐵人賽對稱式加密區塊加密

chen_yanlong

團隊Obit0 Studio

2021-09-21 00:54:10

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"AES, ACE, ASS, AIDS（喂）"
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現今最廣泛使用的對稱式密碼 AES （Advanced Encryption Standard），由美國的 NIST 在2001年制定為標準。
目前還沒有人把他打下來。

AES 在選中之前不叫做 AES ，而是設計者自行決定名稱，投稿參選。
現今使用的這個 AES 原始名稱是Rijndael，由J. Daemen 和 V. Rijmen 所設計。
其他參選者有Twofish, Serpent 等等。不過最後是由 Rijndael 拿下了這場選拔。

加密過程

AES 是一個128位元的區塊加密演算法，密鑰長度可以是128, 192, 256位元。
所以會寫作AES-128、AES-192、AES-256
加密的過程有4個步驟，重複執行10, 12, 14回合（根據密鑰長度決定）。
加密過程如下圖。

一開始要先將資料處理一下，排列成4×4的表示方法。
我們要將128位元的資料分成16個位元組（bytes），再將每個位元組用16進位表示。

1. SubBytes

利用下面的S-box中的每一格代換掉。
這個S-box是經過設計的，能提供非線性的變換。

2.ShiftRows

即是將第一列不動，第二列向左旋轉一格，
第三列旋轉兩格，第四列旋轉三格。

3.MixColumn

將每一行看做一個向量和另一個固定的4×4的矩陣相乘。
矩陣相乘中的加法使用XOR，
乘法使用 $GF(2^8)$ 中的乘法，這個就...看看就好（超不負責任）。
總之你還是會得到四格就對了。

如果你真的對這個乘法很有興趣的話，你可以看一下這個印度人。
然後當你發現他用十分鐘解完16格裡面的1格的時候...嗯。
有興趣的話可以去找找有限體裡的乘法。
重點是，不管如何計算，加減乘除，這些數字永遠會落在 $2^{8}$ 之內。

4.AddRoundKey

最後一步就是將你有的所有東西跟回合密鑰做XOR就完成了。

以上就是AES裡面最主要的4個步驟。
我們再從頭來過一次。

一開始我們有128位元的資料。
先將這些分成16個byte，再用16進位表示，放到4×4的格子裡。
接著先把他們和原始密鑰做XOR一次。
再來進入10個回合（假設密鑰長度128）的SubBytes，ShiftRows，MixColumns，AddRoundKey
注意到第十回合時不必做 MixColumns 的動作。

跟DES一樣，我們明天再來說如何製造回合密鑰，
以及AES的安全性。