AES密钥扩展函数：不可忽视的关键安全保障

2023-11-14 07:16:22

AES密钥扩展函数：守护加密王国的安全卫士

在加密领域的浩瀚宇宙中，AES密钥扩展函数宛如一位默默无闻的卫士，守护着加密王国的安全与稳定。它负责将加密算法的初始密钥转化为一系列子密钥，这些子密钥犹如一把把锋利的利刃，将数据加密成看似不可破解的密文。在本文中，我们将踏上一场探索之旅，深入了解AES密钥扩展函数的奥秘。

AES密钥扩展函数：通往加密世界的桥梁

AES密钥扩展函数是一个精心设计的算法，它接受一个初始密钥作为输入，然后将其扩展为一个包含多个子密钥的序列。这些子密钥用于对数据进行加密或解密。AES算法有三种密钥长度可供选择：128位、192位和256位，而扩展后的子密钥长度始终为128位。

密钥扩展函数的作用至关重要，因为它为加密算法提供了构建密文的"原材料"。没有它，加密过程就无法启动，数据也无法得到应有的保护。

AES密钥扩展函数：随机性和不可预测性的秘密

AES密钥扩展函数的设计目标是确保生成的子密钥具有高度的随机性和不可预测性。这是因为，如果攻击者能够预测子密钥，他们就可以破解加密并访问受保护的数据。为了实现这一目标，AES密钥扩展函数采用了多种巧妙的技术：

轮换： 对密钥的比特进行循环移动，使其难以被猜测。
异或： 使用一个称为"异或"的数学运算将不同的密钥部分组合在一起，进一步增强随机性。
S盒查找表： 使用一个预定义的表，将输入字节映射到新的值，创建非线性和不可预测的输出。

AES密钥扩展函数：实现原理的深度探究

AES密钥扩展函数的实现原理相当复杂，但其核心思想在于通过一个迭代过程将初始密钥扩展为多个子密钥。这个过程使用了一个称为"轮密钥生成器"的函数，该函数负责生成每个子密钥。

轮密钥生成器函数将初始密钥分成四部分，然后对每部分进行一系列轮换、异或和S盒查找表操作，最终生成一个子密钥。通过对每个部分进行不同的操作，AES密钥扩展函数确保了生成的子密钥具有很强的差异性和不可预测性。

AES密钥扩展函数：示例代码揭秘

以下是一个简化的AES密钥扩展函数示例代码，展示了其基本原理：

def AES_key_expansion(key):
    """
    AES密钥扩展函数

    Args:
        key: 初始密钥，长度为128、192或256位

    Returns:
        子密钥列表，长度为11
    """

    # 检查初始密钥长度是否合法
    if len(key) not in [16, 24, 32]:
        raise ValueError("Invalid key length")

    # 设置轮密钥生成器函数
    round_key_generator = AES_round_key_generator(key)

    # 生成子密钥
    sub_keys = []
    for i in range(11):
        sub_keys.append(next(round_key_generator))

    return sub_keys


def AES_round_key_generator(key):
    """
    AES轮密钥生成器函数

    Args:
        key: 初始密钥，长度为128、192或256位

    Yields:
        子密钥
    """

    # 将初始密钥分成四部分
    w0, w1, w2, w3 = key[0:4], key[4:8], key[8:12], key[12:16]

    # 生成前四个子密钥
    yield w0
    yield w1
    yield w2
    yield w3

    # 生成剩余的子密钥
    for i in range(4, 11):
        # 根据前一个子密钥生成当前子密钥
        w4 = AES_sub_bytes(AES_rot_word(w3))
        w4 = AES_xor_round_constant(w4, i)
        w4 = AES_xor_word(w4, w0)

        # 生成当前子密钥
        w = w4
        for j in range(1, 4):
            w = AES_xor_word(w, wj)
            yield w

            # 更新前一个子密钥
            wj = w