AES（Advanced Encryption Standard）是目前应用最普遍的对称加密算法之一，由于其高强度的加密算法、易于实现、且能够应对不断出现的攻击手段，在许多领域得到广泛的应用。AES算法基于分组密码结构，将明文按照特定的分组长度进行块加密，之后结合轮函数（Round Function）进行多轮加密、单轮加密和最后一轮加密（Final Round）。在此我们将对AES加密算法的基本步骤进行详细讨论。
一、密钥扩展（Key Expansion）
密钥扩展是AES加密算法的一个重要步骤，同时也是差分攻击（Differential Attack）和线性攻击（Linear Attack）的主要攻击点之一。在该步骤中，算法会将加密密钥扩展为一个与明文分组长度（128位）相等的密钥表（Key Schedule）。密钥扩展过程中，会根据初始密钥进行多轮操作，以生成用于加密的子密钥。在扩展密钥时我们需要注意狄利克雷置换、S-Box替代以及轮常数的处理。
以下是密钥扩展的示例代码：
// 密钥扩展
void KeyExpansion(unsigned char* key, unsigned char w[][4][4])
{
unsigned char temp[4];
unsigned int i,j;
//密钥长度（字节）和轮数
int Nk = 4;
int Nb = 4;
int Nr = 10;
//密钥扩展主循环
for(i = 0; i < Nk; i++)
{
w[i][0][0] = key[4*i];
w[i][1][0] = key[4*i+1];
w[i][2][0] = key[4*i+2];
w[i][3][0] = key[4*i+3];
}
for(i = Nk; i < Nb * (Nr+1); i++)
{
for(j = 0; j < 4; j++)
{
temp[j]=w[i-1][j][0];
}
if(i % Nk == 0)
{
//D字的补充和Rcon[x]，其中x=i/Nk，Rcon[x]表示x轮常数
RotWord(temp);
SubWord(temp);
temp[0] ^= Rcon[(i/Nk)];
}
else if(Nk > 6 && i%Nk == 4)
{
//针对256位加密密钥的操作
SubWord(temp);
}
for(j = 0; j < 4; j++)
{
w[i][j][0] = w[i-Nk][j][0] ^ temp[j];
}
}
}
二、初始轮（Initial Round）
初始轮是AES加密算法的第一轮加密，它涉及到明文和密钥的初始化以及AddRoundKey操作。在该轮中，AES算法将明文块与扩展密钥表进行一次异或运算作为初始置换操作。
以下是初始轮的示例代码：
// 初始加密轮
void InitialRound(unsigned char state[][4], unsigned char key[][4])
{
unsigned char temp_state[4][4];
int i,j;
//密钥与明文异或
AddRoundKey(state, key, temp_state);
//保存结果
for(i=0;i<4;i++)
{
for(j=0;j<4;j++)
{
state[i][j]=temp_state[i][j];
}
}
}
三、多轮加密（Rounds）
多轮加密是AES加密算法的核心步骤之一，其中包含多轮轮函数（Round Function）。每一轮当中都包含MixColumns、ShiftRows、SubBytes和AddRoundKey四项操作。在进行多轮加密过程时，算法会采用类似于初始轮的操作，将扩展密钥表与明文异或，并依次执行每一轮的操作。每执行一轮操作后，就会得到一个新的状态，并将这个状态作为第二轮操作的初始状态。
以下是多轮加密的示例代码：
void Rounds(unsigned char state[][4], unsigned char w[][4][4])
{
int Nr=10;
int round;
for(round=0;round
四、最后一轮（Final Round）
最后一轮加密操作与之前的多轮加密略有不同，最后一轮操作中不再执行MixColumns操作，而是直接执行ShiftRows、SubBytes和AddRoundKey操作。最后一轮操作的输出为加密后的密文。
以下是最后一轮的示例代码：
void FinalRound(unsigned char state[][4], unsigned char w[][4][4], unsigned char cipher[][4])
{
int i,j;
SubBytes(state);
ShiftRows(state);
AddRoundKey(state, w[10], state);
//保存加密结果
for(i=0;i<4;i++)
{
for(j=0;j<4;j++)
{
cipher[j][i]=state[i][j];
}
}
}
五、解密操作
解密操作是AES加密算法的一个重要环节，需要逆向执行加密操作才能得到正确的明文。解密操作中每轮操作所使用的子密钥在加密过程中也是反向使用的。在密码表的倒数第二个密钥块上加上密文，然后逆向运算剩余的加密轮即可得到明文。
以下是解密操作的示例代码：
void DecryptAES(unsigned char* ciphertext, int ciphertext_len, unsigned char* key, unsigned char* plaintext)
{
int Nb = 4;
int Nr = 10;
int i,j;
unsigned char state[4][4];
unsigned char w[Nb * (Nr + 1)][4][4];
KeyExpansion(key, w); //密钥扩展
for(i=0;i= 1; round--)
{
AddRoundKey(state, w[round*Nb], state);
InvMixColumns(state);
InvShiftRows(state);
InvSubBytes(state);
}
AddRoundKey(state, w[0], state);
for(j=0;j<16;j++)
{
plaintext[i+j] = state[j%4][j/4];
}
}
}