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简介：AES加密的MATLAB实现，面向需要在MATLAB环境中完成数据加密与解密验证的工程师、科研人员及密码学初学者。资源共20个m文件，压缩包仅18KB，代码轻量且模块化，涵盖AES的核心轮变换、S盒生成、密钥扩展、加解密主流程及演示脚本，便于逐模块理解与二次开发。已有2575人学习下载，适用于课程设计、算法仿真或安全通信实验。通过该资源可直接运行演示程序，观察AES从明文到密文的完整变换过程，也可结合描述中的工作模式与轮数说明，深入学习Rijndael算法在MATLAB中的具体实现细节。 写东西这件事，最怕的不是写不出来，而是写到一半发现方向错了。AES加密在MATLAB里实现，就是这么个容易跑偏的方向。网上搜"AES matlab实现"，出来的结果大多是"用工具箱一行搞定"或者"调用某某函数完成加解密"。你复制粘贴跑通了，感觉万事大吉。等真到了要把这段逻辑移植到STM32、要和别的语言联调、或者要在C语言和MATLAB之间来回比对加密结果的时候，才发现工具箱那层封装把细节全藏起来了，你连S盒怎么排、填充用的什么规则、字节序对不对都说不清。

所以这篇博文不谈怎么调包，而是老老实实从零把AES-128在MATLAB里写一遍。我自己在做上位机和嵌入式通信时吃过不少亏，也把AES的代码在MATLAB、C、Python三种环境之间来回折腾过，这里面的坑我还算有发言权。文章会给出能直接跑的代码，每个关键步骤都配了为什么这么写的解释，末了还有一份问题排查清单。适合三种人看：正在做密码学课程设计的学生、要用MATLAB做原型验证然后转C落地的嵌入式开发者，以及纯粹想把AES原理吃透的爱好者。

1. 为什么我建议你手写一遍AES，而不是直接调工具箱

1.1 工具箱省了事，也藏了事

MATLAB里确实有封装好的AES实现。某些工具箱或者第三方库里面，几行代码就能完成加密：

cipher = aes_encrypt(plain, key); % 某些库提供的现成函数

用起来是真省事，但你有没有想过这几个问题：它默认用ECB还是CBC？明文不足16字节时是补零还是PKCS7？密钥和明文是行优先还是列优先？如果这些答案你都要翻一遍文档甚至看源码才知道，那就说明这个黑盒对你来说并不可控。我做STM32和上位机联调的时候，最怕听到的一句话就是"两边都用AES，怎么就对不上"。两边都是黑盒，字节序、填充规则、初始向量的处理方式但凡有一个不一样，出来的密文就完全不同。

自己写一遍AES，最大的价值不是写出一份"能跑的代码"，而是把每一轮变换变成你能调试、能打印、能逐步核对的东西。换个语言、换个平台，代码逻辑直接对照着翻译过去就行，不用猜。

1.2 AES到底在算什么，这里用大白话讲一遍

AES是个分组加密算法。分组长度固定128比特，也就是16个字节。密钥有128、192、256比特三种，分别对应10轮、12轮、14轮迭代。本文只讲AES-128。

每一轮加密就做四件事：先用一个替换表（S盒）把16个字节挨个换成别的值，这步叫SubBytes；然后把4x4的状态矩阵按行做循环移位，叫ShiftRows；接着对每一列做矩阵乘法，让一个字节的变化扩散到整列，叫MixColumns；最后把这一轮的子密钥和状态矩阵做异或，叫AddRoundKey。第1到第9轮这四个操作齐上阵，最后一轮去掉MixColumns。

解密就是完全反过来，用逆S盒、逆行移位、逆列混淆，子密钥按反方向用。整个过程像个非常规整的流水线，每一步都是固定数学变换，所以特别适合用MATLAB来写——MATLAB最擅长的就是矩阵运算，这些变换用矩阵下标和位操作能写得很紧凑。

2. 动手前的准备：格式、填充、工具箱

2.1 需要的工具箱和版本

我的实现只用MATLAB基础函数，不需要额外工具箱。列一个清单：uint8、bitxor、bitshift、reshape、hex2dec。就这么几个。我测试时用的是R2021b，但这些函数在近十年的大多数版本里都有。

有一个版本相关的坑必须提醒：MATLAB对整数类型的位移和算术运算，老版本和新版本的行为不完全一致。尤其是uint8类型做加法时会饱和而不是回绕，这个细节直接导致S盒查询容易出错。比如uint8(255) + 1在MATLAB里的结果是255，不是256，因为整数算术默认饱和。所以在写查表代码时，我要么先把uint8转成double再加1，要么用double(state(:)) + 1，否则S盒最后一个字节永远查不到。

2.2 明文格式：先统一成uint8数组

AES只认字节，所以输入什么格式直接决定你第一行代码怎么写。我的建议非常粗暴：所有明文、密钥、密文，一律用uint8数组表示。如果输入是字符串，用uint8(str)转成ASCII；如果是十六进制字符串，用hex2dec进行两两转换；如果是文件，用fread读成uint8数组。这套约定看起来简单，但能省掉一半排错时间。

还有分组填充问题。AES每16字节一组，明文长度不一定是16的倍数，所以要填充。标准做法是PKCS7：缺几个字节，就补几个值为缺少数目的字节。比如明文12字节，缺4字节，就在末尾补四个0x04。如果明文恰好16字节，仍然要额外补16个0x10，因为解密端需要靠最后一个字节的值来判断"哪里是填充，哪里是真实数据"。

注意：填充规则必须和通信对方确认。很多嵌入式设备默认用ZeroPadding，而OpenSSL默认PKCS7，混着用就会在解密最后一块时出现乱码。

3. 在MATLAB里一步步把AES写出来

3.1 第一步，先把S盒和逆S盒搞定

AES的S盒是一个256字节的查找表，内容由FIPS-197标准给出。直接手动输入256个数字很容易打错，我推荐用十六进制字符串的方式，一次性贴进来，然后让MATLAB自己转：

sbox_hex = ['637c777bf26b6fc53001672bfed7ab76' ... 'ca82c97dfa5947f0add4a2af9ca472c0' ... 'b7fd9326363ff7cc34a5e5f171d83115' ... '04c723c31896059a071280e2eb27b275' ... '09832c1a1b6e5aa0523bd6b329e32f84' ... '53d100ed20fcb15b6acbbe394a4c58cf' ... 'd0efaafb434d338545f9027f503c9fa8' ... '51a3408f929d38f5bcb6da2110fff3d2' ... 'cd0c13ec5f974417c4a77e3d645d1973' ... '60814fdc222a908846eeb814de5e0bdb' ... 'e0323a0a4906245cc2d3ac629195e479' ... 'e7c8376d8dd54ea96c56f4ea657aae08' ... 'ba78252e1ca6b4c6e8dd741f4bbd8b8a' ... '703eb5664803f60e613557b986c11d9e' ... 'e1f8981169d98e949b1e87e9ce5528df' ... '8ca1890dbfe6426841992d0fb054bb16']; Sbox = uint8(hex2dec(reshape(sbox_hex, 2, []).'))';

逆S盒也是标准表，同样用字符串导入：

inv_sbox_hex = ['52096ad53036a538bf40a39e81f3d7fb' ... '7ce339829b2fff87348e4344c4dee9cb' ... '547b9432a6c2233dee4c950b42fac34e' ... '082ea16628d924b2765ba2496d8bd125' ... '72f8f66486689816d4a45ccc5d65b692' ... '6c704850fdedb9da5e154657a78d9d84' ... '90d8ab008cbcd30af7e45805b8b34506' ... 'd02c1e8fca3f0f02c1afbd0301138a6b' ... '3a9111414f67dcea97f2cfcef0b4e673' ... '96ac7422e7ad3585e2f937e81c75df6e' ... '47f11a711d29c5896fb7620eaa18be1b' ... 'fc563e4bc6d279209adbc0fe78cd5af4' ... '1fdda8338807c731b11210592780ec5f' ... '60517fa919b54a0d2de57a9f93c99cef' ... 'a0e03b4dae2af5b0c8ebbb3c83539961' ... '172b047eba77d626e169146355210c7d']; InvSbox = uint8(hex2dec(reshape(inv_sbox_hex, 2, []).'))';

注意，MATLAB的索引从1开始，而字节值从0开始。所以查表时一定要加1。但这里就有前面说的uint8饱和陷阱，所以查表前先转成double，稳妥。

3.2 SubBytes和ShiftRows：矩阵下标就是好使

字节代换的代码非常短：

function state = subBytes(state, sbox) state = sbox(double(state(:)) + 1); state = reshape(state, 4, 4); end

state(:)把4x4矩阵展开成列向量，查表后再reshape回4x4。这里展开方式是列优先，和AES标准按列填充状态矩阵的方式正好一致。

ShiftRows的规则是：第0行不动，第1行左移1字节，第2行左移2字节，第3行左移3字节。用矩阵索引可以写得很优雅：

function state = shiftRows(state) state(2,:) = state(2, [2 3 4 1]); state(3,:) = state(3, [3 4 1 2]); state(4,:) = state(4, [4 1 2 3]); end function state = invShiftRows(state) state(2,:) = state(2, [4 1 2 3]); state(3,:) = state(3, [3 4 1 2]); state(4,:) = state(4, [2 3 4 1]); end

这里有个很容易晕的点：AES官方文档里用的是行优先的视觉表示，但状态矩阵在内存里是按列填充的。只要你在MATLAB里统一用"列代表四列状态、行代表四行状态"的方式，ShiftRows就很直观。

3.3 MixColumns：AES里最容易写错的地方

列混淆是在有限域GF(2^8)上做矩阵乘法，不是普通的整数乘法。很多新手在这里直接用了a*2,a*3，结果加密结果跟标准答案永远差一截。GF(2^8)上的乘法要先做多项式乘法，再对不可约多项式0x11B取模。落到代码里，可以写一个通用的GF乘法函数：

function out = gmul(a, b) p = uint8(0); for k = 0:7 if bitand(b, uint8(1)) p = bitxor(p, a); end hi = bitand(a, uint8(0x80)); a = bitshift(a, 1); if hi a = bitxor(a, uint8(0x1B)); end b = bitshift(b, -1); end out = p; end

这段代码的思路就是不断把a左移、把b右移，b当前位为1就累加a。左移后最高位溢出时，异或0x1B完成取模。这其实是AES里最核心也最反直觉的一步。

有了gmul，MixColumns就是按列做4次运算。AES里乘数固定为1、2、3，解密时固定为9、11、13、14。可直接套用公式：

function state = mixColumns(state) for c = 1:4 a0 = state(1,c); a1 = state(2,c); a2 = state(3,c); a3 = state(4,c); state(1,c) = bitxor(bitxor(gmul(uint8(2), a0), gmul(uint8(3), a1)), bitxor(a2, a3)); state(2,c) = bitxor(bitxor(a0, gmul(uint8(2), a1)), bitxor(gmul(uint8(3), a2), a3)); state(3,c) = bitxor(bitxor(a0, a1), bitxor(gmul(uint8(2), a2), gmul(uint8(3), a3))); state(4,c) = bitxor(bitxor(gmul(uint8(3), a0), a1), bitxor(a2, gmul(uint8(2), a3))); end end

对于逆MixColumns，只需把系数换成9、11、13、14，结构完全一样。

3.4 密钥扩展：把16字节密钥变成44个32位字

AES-128需要11轮子密钥，总共44个32位字。密钥扩展的核心逻辑是：每4个字一组，当前字由前一个字和前面隔4个位置的字异或得到；当索引是4的倍数时，先循环左移一个字节，再逐字节过S盒，然后第一个字节异或一个轮常量。

function w = keyExpansion(key, sbox) Nk = 4; Nr = 10; Nb = 4; Rcon = uint8([1 2 4 8 16 32 64 128 27 54]); w = zeros(4, Nb*(Nr+1), 'uint8'); w(:, 1:Nk) = reshape(key, 4, Nk); for i = Nk : Nb*(Nr+1)-1 temp = w(:, i); if mod(i, Nk) == 0 temp = temp([2 3 4 1]); % RotWord temp = sbox(double(temp) + 1); % SubWord temp(1) = bitxor(temp(1), Rcon(i/Nk)); % 轮常量异或 end w(:, i+1) = bitxor(w(:, i-Nk+1), temp); end end

这里下标看着有点绕，因为FIPS文档从0开始编号，MATLAB从1开始。实际对应关系是：文档里的w[i]，就是代码里的w(:, i+1)。只要记住这个偏移，其他逻辑都能直接对着标准抄。

3.5 总装：AES加密解密完整流程

轮密钥加就是异或，一行代码搞定：

function state = addRoundKey(state, w) state = bitxor(state, w); end

加密一块16字节数据，按标准流程走：

function cipher = aesEncryptBlock(plain16, key, sbox) w = keyExpansion(key, sbox); state = reshape(uint8(plain16), 4, 4); state = addRoundKey(state, w(:, 1:4)); for round = 1:9 state = subBytes(state, sbox); state = shiftRows(state); state = mixColumns(state); state = addRoundKey(state, w(:, (1:4) + 4*round)); end state = subBytes(state, sbox); state = shiftRows(state); state = addRoundKey(state, w(:, 41:44)); cipher = state(:); end

解密就是把操作逆过来，注意轮密钥使用的顺序和加密相反：

function plain = aesDecryptBlock(cipher16, key, sbox, invsbox) w = keyExpansion(key, sbox); state = reshape(uint8(cipher16), 4, 4); state = addRoundKey(state, w(:, 41:44)); for round = 9:-1:1 state = invShiftRows(state); state = subBytes(state, invsbox); state = addRoundKey(state, w(:, (1:4) + 4*round)); state = invMixColumns(state); end state = invShiftRows(state); state = subBytes(state, invsbox); state = addRoundKey(state, w(:, 1:4)); plain = state(:); end

写完马上用官方测试向量验证。FIPS-197附录B给了一组标准测试数据：密钥是000102030405060708090a0b0c0d0e0f，明文是00112233445566778899aabbccddeeff，加密结果应该是69c4e0d86a7b0430d8cdb78070b4c55a。我把验证脚本也贴出来：

key = uint8(hex2dec(reshape('000102030405060708090a0b0c0d0e0f', 2, []).'))'; plain = uint8(hex2dec(reshape('00112233445566778899aabbccddeeff', 2, []).'))'; cipher = aesEncryptBlock(plain, key, Sbox); disp(dec2hex(cipher(:).')); % 期望输出：69 C4 E0 D8 6A 7B 04 30 D8 CD B7 80 70 B4 C5 5A back = aesDecryptBlock(cipher, key, Sbox, InvSbox); assert(isequal(back, plain));

如果这个测试能过，你的AES核心逻辑就基本没问题了。

3.6 从单块到多块：补上ECB和CBC模式

上面的函数只处理16字节一块。实际加密一长串数据，需要按分组模式来。ECB模式就是把每块独立加密，简单但会泄露明文模式，真实系统不建议用。CBC模式则让每个明文块先和上一个密文块异或，再加密，所以相同的明文块会产生不同的密文块，安全性高得多。

CBC模式下，解密方向也一样，第一块需要一个初始向量IV。处理多块明文，还牵扯到PKCS7填充，我补一个完整的CBC加密脚本：

function cipher = aesEncryptCBC(plain, key, iv, sbox) plain = uint8(plain(:)); n = numel(plain); padLen = 16 - mod(n, 16); if padLen == 0 padLen = 16; end padded = [plain; repmat(uint8(padLen), padLen, 1)]; nBlocks = numel(padded) / 16; cipher = zeros(size(padded), 'uint8'); prev = uint8(iv(:)); for i = 1:nBlocks block = padded((i-1)*16+1 : i*16); x = bitxor(block, prev); enc = aesEncryptBlock(x, key, sbox); cipher((i-1)*16+1 : i*16) = enc; prev = enc; end end

注意，CBC加密必须在明文端做填充，解密后要去掉填充，这一步别漏。

4. 实际应用：加密文件，以及往硬件平台移植

4.1 用MATLAB加密一个本地文件

加密文件的核心就是把文件内容读成uint8数组，然后走CBC加密，最后写出去。下面是一个完整示例：

fid = fopen('secret.dat', 'rb'); data = fread(fid, Inf, '*uint8'); fclose(fid); key = uint8(hex2dec(reshape('000102030405060708090a0b0c0d0e0f', 2, []).'))'; iv = uint8(hex2dec(reshape('101112131415161718191a1b1c1d1e1f', 2, []).'))'; cipherData = aesEncryptCBC(data, key, iv, Sbox); fid = fopen('secret.enc', 'wb'); fwrite(fid, cipherData, 'uint8'); fclose(fid);

解密的时候反过来读密文文件，用CBC解密函数处理，再按原格式写回。这里要再次提醒：IV不能写死在生产系统里。IV的作用是让同一段明文配合不同IV产生不同密文，一般随机生成并和密文一起传输。实际系统里，IV或盐放在前端还是后端、由谁生成、怎么存，是个需要设计的架构问题，MATLAB原型阶段也得留出这个参数传递的接口，别写死在函数里。

4.2 和STM32、ESP32等硬件设备的联调思路

我当初做这个MATLAB实现的直接原因，就是要在STM32上做AES加密，跟上位机通信。很多嵌入式芯片有硬件AES加速器，比如STM32的AES外设，直接配置寄存器就能用。上位机用MATLAB做数据分析和界面，双方要对密文格式达成一致，至少下面几项必须统一：

• 密钥长度：128、192还是256，两边必须一致；
• 分组模式：ECB、CBC还是CTR；
• 填充方案：PKCS7还是ZeroPadding；
• IV和盐由哪一端生成、怎么传；
• 数据字节序：大端还是小端，尤其是在把32位整数转换成字节数组时。

我在联调时最常遇到的问题就是字节序。MATLAB里typecast转换完的整数字节序，和STM32里默认的小端序经常对不上。建议在协议设计阶段就明确：网络传的字节流统一大端，芯片内部转换时再转成小端。MATLAB这边用typecast(..., 'uint8')配合swapbytes，能省不少事。

5. 常见问题与排查技巧实录

5.1 加密解密没报错，但结果就是不对

这是最让人抓狂的情况。我列一个速查表，基本覆盖了我踩过的所有坑：

5.2 性能问题：MATLAB跑AES太慢怎么办

MATLAB本身是解释型语言，逐轮逐字节做位运算，性能肯定比不了C语言。如果你只是做原型验证，这个速度完全够用；如果要对几百兆文件做加解密，那就不太现实了。我建议两条路：

第一，优化热点函数。在MATLAB里跑性能分析器，看看gmul是不是最耗时的函数。AES里乘数固定，可以用预先算好的乘法表替代通用gmul，比如把乘2和乘3的结果各做成一个256字节的查表数组，速度能提升不少。第二，如果数据量大，就把MATLAB当作验证工具，算法确认无误后，用C、C++或者芯片的硬件加速器来做实际加解密。MATLAB写出来的代码逻辑清晰，对照翻译成C语言并不难，这也是我推荐手写一遍的另一个原因。

5.3 移植到C语言时的三个提醒

从MATLAB移植到C语言，有三个地方特别容易栽跟头。第一个是数据类型，MATLAB的uint8在C语言里对应unsigned char，但bitxor在C里就是^，bitshift就是<<和>>，语法简单，但C语言没有默认的溢出保护，左移时要手动处理最高位。第二个是数组索引，MATLAB从1开始，C从0开始，查表时一个+1一个-1，出错的概率很高，建议在代码边上写清对应关系。第三个是内存布局，MATLAB的矩阵按列优先存储，C语言的二维数组按行优先，状态矩阵在两种语言里如果定义方式不同，很容易在行列转置上栽跟头。

我个人在实际操作中的体会是，AES这种算法，网上从来不缺能跑的代码，缺的是"能让自己改明白"的代码。花一个下午在MATLAB里把这个流程完整写一遍，远比收藏十个现成脚本有用。写完以后再用FIPS-197的标准向量卡一下，但凡能过，后面换什么语言、对接什么设备，心里都有底。最后再分享一个小技巧：调试时把每一轮的state都disp出来，跟标准中间值比对，这样能快速定位是S盒错了、行移位错了还是密钥扩展错了，比盯着最终密文瞎猜效率高得多。

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