AES密钥生成详细解析

一、什么是AES?

AES（Advanced Encryption Standard），是当今世界上使用最广泛的对称密钥加密算法，用于加密和解密数据。该算法采用对称加密的方式，意味着加密和解密使用同一个密钥。

二、AES密钥生成

AES密钥生成是AES算法的关键步骤之一，它是在给定长度的密钥中生成一个密钥表用于加密和解密。密钥的长度可以是128位、192位或256位，根据密钥的长度的不同，密钥表的数量也不同。我们将一步一步地展示如何生成AES密钥。

三、生成AES密钥的步骤

1、 密钥扩展

在AES中，密钥扩展算法会生成多个密钥，称为密钥表。一个AES密钥的长度决定了密钥表的数量。密钥表的每一个元素是一个4字节的字，即32位。密钥扩展算法也叫密钥表生成算法，它通过迭代生成每一个元素。具体算法是：

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

//对密钥进行扩展
void expand_key(uint8_t *key, uint8_t *exp_key) {
    int i, j, k;

    //将原始密钥拷贝到扩展密钥中
    for (i = 0; i < 16; i++) 
        exp_key[i] = key[i];

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

    //迭代生成密钥表
    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、轮密钥生成

轮密钥是密钥表的一部分，被用来加密轮次中的数据块。在AES的加密和解密过程中，每一轮会使用一个轮密钥。轮密钥的长度与明文块（或密文块）长度相等。具体算法是：

//生成轮密钥
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、生成完整密钥

AES算法加密过程中，每轮要使用不同的轮密钥，因此需要在加密或解密前先生成足够的轮密钥。生成完整密钥的算法是：

//生成完整密钥
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、总结

AES密钥生成是实现AES加密和解密的关键步骤之一。通过密钥扩展、轮密钥生成等步骤，可以生成完整的轮密钥用于加密和解密数据。在代码实现上，需要注意使用对应密钥长度的算法，以及密钥表迭代次数等参数的计算。