AES原理概述與算法分析：
AES屬于分組加密算法，明文長度固定為128bit，密鑰長度可以是128/192/256 bit，此實驗分析并編碼密鑰為128bit的AES算法。
AES加密過程先是明文經(jīng)過初始化變換，其次再經(jīng)過九輪循環(huán)運算，每一次循環(huán)運算都要依次進行字節(jié)代換、行移位、列混合和輪密鑰加，九輪循環(huán)運算結束后，再進行一次最終輪運算，這一輪與前面的九輪的區(qū)別除了不進行列混合，其余的不變，也即是最后一輪依次進行字節(jié)代換、行移位和輪密鑰加，經(jīng)過這一步驟得到的即為密文。
? ? ?圖1.AES加密過程
了解到整個AES的加密過程，再進一步深入分析一下各個環(huán)節(jié)的步驟。
初始變換：輸入的明文矩陣與子密鑰矩陣進行按字節(jié)的異或操作，得到的結果就是初始變換后的結果。
? 圖2. ?16字節(jié)數(shù)據(jù)的矩陣排列方式
? ? ? ? 圖3. 初始變換
字節(jié)代換：把4*4的矩陣通過查表進行代換，如39，即查找S盒第三行第九列的數(shù)字，將該數(shù)字替換39.
行移位：如圖4所示
?????????????4. 行移位
列混合：將輸入的4*4的矩陣左乘一個給定的4*4矩陣，不過不是簡單的矩陣乘法運算，是在域上的運算。具體過程如下圖6、7所示。
圖5.列混合
圖6
輪密鑰加：將得到的結果與子密鑰矩陣異或，一列一列逐次異或。
然而開始時只有一個16字節(jié)的子密鑰，是怎么生成10輪16字節(jié)的子密鑰的呢？因此，接下來分析子密鑰矩陣的擴展過程。
子密鑰矩陣的擴展過程：
AES的密鑰擴展的目的是將輸入的128位密鑰擴展成11個128位的子密鑰。
密鑰擴展過程說明：將初始密鑰以列為主，轉化為4個32bits的字，分別記為w[0，1,2，3]；按照如下方式，依次求解w[i]，其中i是整數(shù)并且屬于[4,43]。
???當i%4!=0時，w[i]=w[i-4]⊕w[i-1]
???當i%4=0時，將w[i-1]循環(huán)左移一個字節(jié)，分別對每個字節(jié)按S盒進行映射。與輪常量Rcon（Rc[i/4],0,0,0）進行異或，RC是一個一維數(shù)組，其中RC = {01, 02, 04, 08, 10, 20, 40, 80, 1B, 36}。最后再和w[i-1]進行異或。
解密過程是加密的逆過程，如圖7所示。
?????????????????????????????????圖7?AES解密
其中逆字節(jié)代換是在逆S盒中實現(xiàn)的，而逆列混合中左乘的是。
總結：
AES算法是一種對稱密碼，但是這一次的對稱密碼比以往的實驗都要復雜的多，我們在這一次實驗上也花了很多的時間。
AES算法主要由四個不同的變換組成，包括一個置換和三個替代：字節(jié)代替，用一個S盒完成分組的字節(jié)到字節(jié)的代替；行移位，一個比較簡單的置換；列混淆，利用域GF(28)上的算術特性的一個代替；輪密鑰加，當前分組和擴展密鑰的一部分進行按位XOR(異或)。
我覺得這次實驗最難的一個功能模塊是列混淆。因為首先列混淆的乘法不是一般的乘法，而是x乘法，即GF（2^8）上的乘法。其次這個模塊涉及到矩陣運算，我們知道矩陣運算是比較復雜，比較麻煩的。該運算可以通過字節(jié)的左移一位（最后一位補0）,b7=0則再與0x1B做逐比特異或來實現(xiàn)；若是遇到形如0x3A*0x03，則可將0x03拆成0x01異或0x02與0x3A分別相乘再進行異或。
好在本次實驗矩陣的大小是4*4固定的，而且課程PPT中還給出了推導后的矩陣計算公式，使得我們不必要真的去寫一個x乘法矩陣運算，只需要套用一堆固定的公式，這帶來了一定程度上的方便，其中還要注意矩陣行、列計算的轉換，所以還是很復雜的，很考驗邏輯思維能力。
實驗過程中，意識到要實現(xiàn)完整地AES流程是相對十分復雜的，需要提前對密鑰進行密鑰擴展，將明文轉化成十六進制變?yōu)榫仃?，加密過程中，先用初始密鑰進行異或，再做九輪字節(jié)代換、行移位、列混合；最后再進行一輪字節(jié)代換、行移位的加密，加密系數(shù)高；解密過程類似，但密鑰的選取倒逆選取。
個人感悟與收獲：
通過這次對AES算法的代碼編寫，之前上課時聽得不太明白的地方豁然開朗了。開始時確實是不知道從何下手，然后和隊友一起討論，兩個人查閱相關的資料。每次弄懂一個知識點的時候，都不由地感嘆算法的精妙。
這次實驗課收獲很大，不僅懂得了AES算法的核心思想，對密碼學這門課也有了一定的認識，不再像之前那樣毫無頭緒了，對密碼學也開始產(chǎn)生興趣，不由地想要探索更多的知識。
經(jīng)過這次實驗，感覺自己對AES算法的理解、對字符字節(jié)的控制上都有所進步，收獲良多。
本實驗難度較大，涉及到諸多運算。但在此過程中亦收獲滿滿。比如，了解到十六進制的x運算，該運算可以通過字節(jié)的左移一位（最后一位補0）,b7=0則再與0x1B做逐比特異或來實現(xiàn)；若是遇到形如0x3A*0x03，則可將0x03拆成0x010x02與0x3A分別相乘再進行異或。實驗過程中，意識到要實現(xiàn)完整地AES流程是相對十分復雜的，要提前對密鑰進行密鑰擴展，將明文轉化成十六進制變?yōu)榫仃嚕用苓^程中，先用初始密鑰進行異或，再做九輪字節(jié)代換、行移位、列混合；最后再進行一輪字節(jié)代換、行移位的加密，加密系數(shù)高；解密過程類似，但密鑰的選取倒逆選取。
代碼如下：（實驗環(huán)境：Visual? C++ 6.0）
#include <stdio.h>
#pragma warning(disable:4996)
?//定義輪常量表
static const unsigned char Rcon[10] = {
0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80,0x1b,0x36 };
//定義有限域*2乘法
static unsigned char x2time(unsigned char x)
{
if (x & 0x80)
{
return (((x << 1) ^ 0x1B) & 0xFF);
}
return x << 1;
}
//定義有限域*3乘法
static unsigned char x3time(unsigned char x)
{
return (x2time(x) ^ x);
}
//定義有限域*4乘法
static unsigned char x4time(unsigned char x)
{
return (x2time(x2time(x)));
}
//定義有限域*8乘法
static unsigned char x8time(unsigned char x)
{
return (x2time(x2time(x2time(x))));
}
//定義有限域*9乘法
static unsigned char x9time(unsigned char x)
{
return (x8time(x) ^ x);
}
//定義有限域*B乘法
static unsigned char xBtime(unsigned char x)
{
return (x8time(x) ^ x2time(x) ^ x);
}
//定義有限域*D乘法
static unsigned char xDtime(unsigned char x)
{
return (x8time(x) ^ x4time(x) ^ x);
}
//定義有限域*E乘法
static unsigned char xEtime(unsigned char x)
{
return (x8time(x) ^ x4time(x) ^ x2time(x));
}
//s盒矩陣 Substitution Table
static const unsigned char sbox[256] = {
0x63,0x7c,0x77,0x7b,0xf2,0x6b,0x6f,0xc5,
0x30,0x01,0x67,0x2b,0xfe,0xd7,0xab,0x76,
0xca,0x82,0xc9,0x7d,0xfa,0x59,0x47,0xf0,
0xad,0xd4,0xa2,0xaf,0x9c,0xa4,0x72,0xc0,
0xb7,0xfd,0x93,0x26,0x36,0x3f,0xf7,0xcc,
0x34,0xa5,0xe5,0xf1,0x71,0xd8,0x31,0x15,
0x04,0xc7,0x23,0xc3,0x18,0x96,0x05,0x9a,
0x07,0x12,0x80,0xe2,0xeb,0x27,0xb2,0x75,
0x09,0x83,0x2c,0x1a,0x1b,0x6e,0x5a,0xa0,
0x52,0x3b,0xd6,0xb3,0x29,0xe3,0x2f,0x84,
0x53,0xd1,0x00,0xed,0x20,0xfc,0xb1,0x5b,
0x6a,0xcb,0xbe,0x39,0x4a,0x4c,0x58,0xcf,
0xd0,0xef,0xaa,0xfb,0x43,0x4d,0x33,0x85,
0x45,0xf9,0x02,0x7f,0x50,0x3c,0x9f,0xa8,
0x51,0xa3,0x40,0x8f,0x92,0x9d,0x38,0xf5,
0xbc,0xb6,0xda,0x21,0x10,0xff,0xf3,0xd2,
0xcd,0x0c,0x13,0xec,0x5f,0x97,0x44,0x17,
0xc4,0xa7,0x7e,0x3d,0x64,0x5d,0x19,0x73,
0x60,0x81,0x4f,0xdc,0x22,0x2a,0x90,0x88,
0x46,0xee,0xb8,0x14,0xde,0x5e,0x0b,0xdb,
0xe0,0x32,0x3a,0x0a,0x49,0x06,0x24,0x5c,
0xc2,0xd3,0xac,0x62,0x91,0x95,0xe4,0x79,
0xe7,0xc8,0x37,0x6d,0x8d,0xd5,0x4e,0xa9,
0x6c,0x56,0xf4,0xea,0x65,0x7a,0xae,0x08,
0xba,0x78,0x25,0x2e,0x1c,0xa6,0xb4,0xc6,
0xe8,0xdd,0x74,0x1f,0x4b,0xbd,0x8b,0x8a,
0x70,0x3e,0xb5,0x66,0x48,0x03,0xf6,0x0e,
0x61,0x35,0x57,0xb9,0x86,0xc1,0x1d,0x9e,
0xe1,0xf8,0x98,0x11,0x69,0xd9,0x8e,0x94,
0x9b,0x1e,0x87,0xe9,0xce,0x55,0x28,0xdf,
0x8c,0xa1,0x89,0x0d,0xbf,0xe6,0x42,0x68,
0x41,0x99,0x2d,0x0f,0xb0,0x54,0xbb,0x16,
};
//逆向S盒矩陣
static const unsigned char contrary_sbox[256] = {
0x52,0x09,0x6a,0xd5,0x30,0x36,0xa5,0x38,
0xbf,0x40,0xa3,0x9e,0x81,0xf3,0xd7,0xfb,
0x7c,0xe3,0x39,0x82,0x9b,0x2f,0xff,0x87,
0x34,0x8e,0x43,0x44,0xc4,0xde,0xe9,0xcb,
0x54,0x7b,0x94,0x32,0xa6,0xc2,0x23,0x3d,
0xee,0x4c,0x95,0x0b,0x42,0xfa,0xc3,0x4e,
0x08,0x2e,0xa1,0x66,0x28,0xd9,0x24,0xb2,
0x76,0x5b,0xa2,0x49,0x6d,0x8b,0xd1,0x25,
0x72,0xf8,0xf6,0x64,0x86,0x68,0x98,0x16,
0xd4,0xa4,0x5c,0xcc,0x5d,0x65,0xb6,0x92,
0x6c,0x70,0x48,0x50,0xfd,0xed,0xb9,0xda,
0x5e,0x15,0x46,0x57,0xa7,0x8d,0x9d,0x84,
0x90,0xd8,0xab,0x00,0x8c,0xbc,0xd3,0x0a,
0xf7,0xe4,0x58,0x05,0xb8,0xb3,0x45,0x06,
0xd0,0x2c,0x1e,0x8f,0xca,0x3f,0x0f,0x02,
0xc1,0xaf,0xbd,0x03,0x01,0x13,0x8a,0x6b,
0x3a,0x91,0x11,0x41,0x4f,0x67,0xdc,0xea,
0x97,0xf2,0xcf,0xce,0xf0,0xb4,0xe6,0x73,
0x96,0xac,0x74,0x22,0xe7,0xad,0x35,0x85,
0xe2,0xf9,0x37,0xe8,0x1c,0x75,0xdf,0x6e,
0x47,0xf1,0x1a,0x71,0x1d,0x29,0xc5,0x89,
0x6f,0xb7,0x62,0x0e,0xaa,0x18,0xbe,0x1b,
0xfc,0x56,0x3e,0x4b,0xc6,0xd2,0x79,0x20,
0x9a,0xdb,0xc0,0xfe,0x78,0xcd,0x5a,0xf4,
0x1f,0xdd,0xa8,0x33,0x88,0x07,0xc7,0x31,
0xb1,0x12,0x10,0x59,0x27,0x80,0xec,0x5f,
0x60,0x51,0x7f,0xa9,0x19,0xb5,0x4a,0x0d,
0x2d,0xe5,0x7a,0x9f,0x93,0xc9,0x9c,0xef,
0xa0,0xe0,0x3b,0x4d,0xae,0x2a,0xf5,0xb0,
0xc8,0xeb,0xbb,0x3c,0x83,0x53,0x99,0x61,
0x17,0x2b,0x04,0x7e,0xba,0x77,0xd6,0x26,
0xe1,0x69,0x14,0x63,0x55,0x21,0x0c,0x7d,
};
//定義s盒字節(jié)代換替換操作
static void SubBytes(unsigned char* col)
{//字節(jié)代換
int x;
for (x = 0; x < 16; x++)
{
col[x] = sbox[col[x]];
}
}
//逆向字節(jié)代換
static void Contrary_SubBytes(unsigned char* col)
{
int x;
for (x = 0; x < 16; x++)
{
col[x] = contrary_sbox[col[x]];
}
}
//定義行移位操作：行左循環(huán)移位
static void ShiftRows(unsigned char* col)
{//正向行移位
unsigned char t;
//左移1位
t = col[1]; col[1] = col[5]; col[5] = col[9]; col[9] = col[13]; col[13] = t;
//左移2位，交換2次數(shù)字來實現(xiàn)
t = col[2]; col[2] = col[10]; col[10] = t;
t = col[6]; col[6] = col[14]; col[14] = t;
//左移3位，相當于右移1次
t = col[15]; col[15] = col[11]; col[11] = col[7]; col[7] = col[3]; col[3] = t;
//第4行不移位
}
//逆向行移位
static void Contrary_ShiftRows(unsigned char* col)
{
unsigned char t;
t = col[13]; col[13] = col[9]; col[9] = col[5]; col[5] = col[1]; col[1] = t;
t = col[2]; col[2] = col[10]; col[10] = t;
t = col[6]; col[6] = col[14]; col[14] = t;
t = col[3]; col[3] = col[7]; col[7] = col[11]; col[11] = col[15]; col[15] = t;
//同理，第4行不移位
}
//定義列混合操作
static void MixColumns(unsigned char* col)
{
unsigned char tmp[4], xt[4];
int i;
for (i = 0; i < 4; i++, col += 4)
{ ?//col代表一列的基地址，col+4:下一列的基地址
//xt[n]代表*2 ??xt[n]^col[n]代表*3 ??col[n]代表*1
tmp[0] = x2time(col[0]) ^ x3time(col[1]) ^ col[2] ^ col[3]; //2 3 1 1
tmp[1] = col[0] ^ x2time(col[1]) ^ x3time(col[2]) ^ col[3]; //1 2 3 1
tmp[2] = col[0] ^ col[1] ^ x2time(col[2]) ^ x3time(col[3]); //1 1 2 3
tmp[3] = x3time(col[0]) ^ col[1] ^ col[2] ^ x2time(col[3]); //3 1 1 2
//修改后的值 直接在原矩陣上修改
col[0] = tmp[0];
col[1] = tmp[1];
col[2] = tmp[2];
col[3] = tmp[3];
}
}
//定義逆向列混淆
static void Contrary_MixColumns(unsigned char* col)
{
unsigned char tmp[4];
unsigned char xt2[4];//colx2
unsigned char xt4[4];//colx4
unsigned char xt8[4];//colx8
int x;
for (x = 0; x < 4; x++, col += 4)
{
tmp[0] = xEtime(col[0]) ^ xBtime(col[1]) ^ xDtime(col[2]) ^ x9time(col[3]);
tmp[1] = x9time(col[0]) ^ xEtime(col[1]) ^ xBtime(col[2]) ^ xDtime(col[3]);
tmp[2] = xDtime(col[0]) ^ x9time(col[1]) ^ xEtime(col[2]) ^ xBtime(col[3]);
tmp[3] = xBtime(col[0]) ^ xDtime(col[1]) ^ x9time(col[2]) ^ xEtime(col[3]);
col[0] = tmp[0];
col[1] = tmp[1];
col[2] = tmp[2];
col[3] = tmp[3];
}
}
//密鑰編排，16字節(jié)--->44列32bit密鑰生成--> 11組16字節(jié):分別用于11輪 輪密鑰加運算
void ScheduleKey(unsigned char* inkey, unsigned char* outkey, int Nk, int Nr)
{
//inkey:初始16字節(jié)密鑰key
//outkey：11組*16字節(jié)擴展密鑰expansionkey
//Nk：4列
//Nr：10輪round
unsigned char temp[4], t;
int x, i;
/*copy the key*/
//第0組：[0-3]直接拷貝
for (i = 0; i < (4 * Nk); i++)
{
outkey[i] = inkey[i];
}
//第1-10組：[4-43]
i = Nk;
while (i < (4 * (Nr + 1))) //i=4~43 WORD 32bit的首字節(jié)地址，每一個4字節(jié)
{//1次循環(huán)生成1個字節(jié)擴展密鑰，4次循環(huán)生成一個WORD
//temp：4字節(jié)數(shù)組：代表一個WORD密鑰
//i不是4的倍數(shù)的時候
//每個temp = 每個outkey32bit = 4字節(jié)
for (x = 0; x < 4; x++)
temp[x] = outkey[(4 * (i - 1)) + x]; //i：32bit的首字節(jié)地址
//i是4的倍數(shù)的時候
if (i % Nk == 0)
{
/*字循環(huán)：循環(huán)左移1字節(jié) RotWord()*/
t = temp[0]; temp[0] = temp[1]; temp[1] = temp[2]; temp[2] = temp[3]; temp[3] = t;
/*字節(jié)代換：SubWord()*/
for (x = 0; x < 4; x++)
{
temp[x] = sbox[temp[x]];
}
/*輪常量異或：Rcon[j]*/
temp[0] ^= Rcon[(i / Nk) - 1];
}
for (x = 0; x < 4; x++)
{
outkey[(4 * i) + x] = outkey[(4 * (i - Nk)) + x] ^ temp[x];
}
++i;
}
}
//定義輪密鑰加操作
static void AddRoundKey(unsigned char* col, unsigned char* expansionkey, int round)//密匙加
{
//擴展密鑰：44*32bit =11*4* 4*8 = ?16字節(jié)*11輪，每輪用16字節(jié)密鑰
//第0輪，只進行一次輪密鑰加
//第1-10輪，輪密鑰加
int x;
for (x = 0; x < 16; x++)
{ //每1輪操作：4*32bit密鑰 = 16個字節(jié)密鑰
col[x] ^= expansionkey[(round << 4) + x];
}
}
//AES加密函數(shù)
void AesEncrypt(unsigned char* blk, unsigned char* expansionkey, int Nr)
{//加密一個區(qū)塊
//輸入blk原文，直接在上面修改，輸出blk密文
//輸入skey：
//輸入Nr = 10輪
int round;
//第1輪之前：輪密鑰加
AddRoundKey(blk, expansionkey, 0);//密鑰已經(jīng)到位
//第1-9輪：4類操作：字節(jié)代換、行移位、列混合、輪密鑰加
for (round = 1; round <= (Nr - 1); round++)
{
SubBytes(blk); //輸入16字節(jié)數(shù)組，直接在原數(shù)組上修改
ShiftRows(blk); //輸入16字節(jié)數(shù)組，直接在原數(shù)組上修改
MixColumns(blk); //輸入16字節(jié)數(shù)組，直接在原數(shù)組上修改
AddRoundKey(blk, expansionkey, round);
}
//第10輪：不進行列混合
SubBytes(blk);
ShiftRows(blk);
AddRoundKey(blk, expansionkey, Nr);
}
//AES 解密函數(shù)
void Contrary_AesEncrypt(unsigned char* blk, unsigned char* expansionkey, int Nr)
{
int x;
AddRoundKey(blk, expansionkey, Nr);
Contrary_ShiftRows(blk);
Contrary_SubBytes(blk);
for (x = (Nr - 1); x >= 1; x--)
{
AddRoundKey(blk, expansionkey, x);
Contrary_MixColumns(blk);
Contrary_ShiftRows(blk);
Contrary_SubBytes(blk);
}
AddRoundKey(blk, expansionkey, 0);
}
int main(void) {
unsigned char pt[17], key[17];
//定義原文pt
//定義密鑰key
unsigned char expansionkey[15 * 16];
int i;
int j;
printf("You are welcome to use the AES machine in SDU\n");
printf("Please enter plaintext (length = 16):\n");
scanf("%s", pt);
printf("please input key：\n");
scanf("%s", key);
//加密過程
ScheduleKey(key, expansionkey, 4, 10);//密鑰擴展生成
AesEncrypt(pt, expansionkey, 10);//調用AES 加密
printf("ciphertext: ");
//輸出密文
for (i = 0; i < 16; i++)
{
printf("%02x ", pt[i]);
}
printf("\n");
printf("\n");
//解密過程
Contrary_AesEncrypt(pt, expansionkey, 10);//調用AES 解密
printf("The decrypted plaintext is: ");
//輸出明文
for (i = 0; i < 16; i++)
{
printf("%c ", pt[i]);
}
printf("\n");
printf("\n");
while (1);
return 0;
}
文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-775786.html
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