AES密鑰生成詳細解析

一、什麼是AES?

AES（Advanced Encryption Standard），是當今世界上使用最廣泛的對稱密鑰加密演算法，用於加密和解密數據。該演算法採用對稱加密的方式，意味著加密和解密使用同一個密鑰。

二、AES密鑰生成

AES密鑰生成是AES演算法的關鍵步驟之一，它是在給定長度的密鑰中生成一個密鑰表用於加密和解密。密鑰的長度可以是128位、192位或256位，根據密鑰的長度的不同，密鑰表的數量也不同。我們將一步一步地展示如何生成AES密鑰。

三、生成AES密鑰的步驟

1、 密鑰擴展

在AES中，密鑰擴展演算法會生成多個密鑰，稱為密鑰表。一個AES密鑰的長度決定了密鑰表的數量。密鑰表的每一個元素是一個4位元組的字，即32位。密鑰擴展演算法也叫密鑰表生成演算法，它通過迭代生成每一個元素。具體演算法是：

//設定常量
const uint8_t rcon[11] = {0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1B, 0x36};

//對密鑰進行擴展
void expand_key(uint8_t *key, uint8_t *exp_key) {
    int i, j, k;

    //將原始密鑰拷貝到擴展密鑰中
    for (i = 0; i < 16; i++) 
        exp_key[i] = key[i];

    //計算迭代次數
    int count = 0;
    switch (key_size) {
        case 128:
            count = 10;
            break;
        case 192:
            count = 12;
            break;
        case 256:
            count = 14;
            break;
    }

    //迭代生成密鑰表
    for (i = 16; i < 4 * (count + 1); i += 4) {
        uint8_t temp[4];
        for (j = 0; j < 4; j++)
            temp[j] = exp_key[i - 4 + j];

        if (i % 16 == 0) {
            uint8_t t = temp[0];
            temp[0] = temp[1];
            temp[1] = temp[2];
            temp[2] = temp[3];
            temp[3] = t;

            for (j = 0; j < 4; j++)
                temp[j] = sbox[temp[j]];
            temp[0] ^= rcon[i / 16 - 1];
        }

        for (j = 0; j < 4; j++) 
            exp_key[i + j] = exp_key[i - 16 + j] ^ temp[j];
    }
}

2、輪密鑰生成

輪密鑰是密鑰表的一部分，被用來加密輪次中的數據塊。在AES的加密和解密過程中，每一輪會使用一個輪密鑰。輪密鑰的長度與明文塊（或密文塊）長度相等。具體演算法是：

//生成輪密鑰
void generate_round_key(uint8_t *exp_key, uint8_t *round_key, int round) {
    int i, j, k;

    for (i = 0; i < 4; i++) {
        for (j = 0; j < 4; j++) {
            round_key[i * 4 + j] = exp_key[round * 16 + i * 4 + j];
        }
    }
}

3、生成完整密鑰

AES演算法加密過程中，每輪要使用不同的輪密鑰，因此需要在加密或解密前先生成足夠的輪密鑰。生成完整密鑰的演算法是：

//生成完整密鑰
void generate_key(uint8_t *key, uint8_t *exp_key) {
    expand_key(key, exp_key);

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        generate_round_key(exp_key, round_key[i], i);
    }
}

四、總結

AES密鑰生成是實現AES加密和解密的關鍵步驟之一。通過密鑰擴展、輪密鑰生成等步驟，可以生成完整的輪密鑰用於加密和解密數據。在代碼實現上，需要注意使用對應密鑰長度的演算法，以及密鑰表迭代次數等參數的計算。