aes算法步骤

Posted 2023-03-30

参考技术A

aes算法由四个不同的变换组成，包括一个置换和三个替代：

字节代替(SubBytes)：用一个S盒完成分组的字节到字节的代替。

行移位(ShiftRows):一个简单的置换。

列混淆(MixColumns)：利用域GF(28)上的算术特性的一个代替。

轮密钥加(AddRoundKey):当前分组和扩展密钥的一部分进行按位XOR(异或)。

输入的密钥被扩展成由44个32位子所组成的数组w[i],由上图可知，每轮有四个不同的字(128位)作为该轮到密钥。

对加密和解密的操作，算法由轮密钥加开始，接着执行9轮迭代运算，每轮都包含所有4个阶段的代替，接着是第10轮的三个阶段。

仅仅在轮密钥加阶段使用密钥。由于这个原因，该算法以轮密钥加开始，以轮密钥加结束。

逆向算法之AES算法

AES加密算法是典型的对称加密算法，对称加密算法也就是加密和解密用相同的密钥。

AES加密数组块分组长度必须为128比特，密钥长度可以是128比特、192比特、256比特中的任意一个。AES加密有很多轮的重复和变换，步骤是1、密钥扩展，2、初始轮，3、重复轮，4、最终轮。

1、字节代换

AES的字节代换是一个简单的查表操作，AES定义了一个s盒和一个逆s盒。

状态矩阵中的元素按照将字节的高4位作为行值，低四位作为列值，取出s盒或者逆s盒中对应的行的元素作为输出。例如，加密时，输出的字节s1为0x12，则查s盒的第0x01行和0x02列，得到值0xc9，然后替换s1原有的0x12为0xc9。逆s盒如下。

2、行移位

行移位是一个简单的左循环移位操作。当密钥长度为128比特时，状态矩阵的第0行左移0字节，第1行左移1字节，第2行左移2字节，第3行左移3字节。

3、列混合操作

列混合变换是通过矩阵相乘来实现的，经行移位后的状态矩阵与固定的矩阵相乘，得到混淆后的状态矩阵。

4、轮密钥加

轮密钥加是将128位轮密钥Ki同状态矩阵中的数据进行逐位异或操作。

 

AES算法实现

1、密钥拓展的实现

//密钥对应的扩展数组
static int w[44];

/**
 * 扩展密钥，结果是把w[44]中的每个元素初始化
 */
static void extendKey(char *key) {
    for(int i = 0; i < 4; i++)
        w[i] = getWordFromStr(key + i * 4); 

    for(int i = 4, j = 0; i < 44; i++) {
        if( i % 4 == 0) {
            w[i] = w[i - 4] ^ T(w[i - 1], j); 
            j++;//下一轮
        }else {
            w[i] = w[i - 4] ^ w[i - 1]; 
        }
    }   

}

/**
 * 常量轮值表
 */
static const int Rcon[10] = { 0x01000000, 0x02000000,
    0x04000000, 0x08000000,
    0x10000000, 0x20000000,
    0x40000000, 0x80000000,
    0x1b000000, 0x36000000 };
/**
 * 密钥扩展中的T函数
 */
static int T(int num, int round) {
    int numArray[4];
    splitIntToArray(num, numArray);
    leftLoop4int(numArray, 1);//字循环

    //字节代换
    for(int i = 0; i < 4; i++)
        numArray[i] = getNumFromSBox(numArray[i]);

    int result = mergeArrayToInt(numArray);
    return result ^ Rcon[round];
}

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原文链接：https://blog.csdn.net/qq_28205153/article/details/55798628

/**
 * 常量轮值表
 */
static const int Rcon[10] = { 0x01000000, 0x02000000,
    0x04000000, 0x08000000,
    0x10000000, 0x20000000,
    0x40000000, 0x80000000,
    0x1b000000, 0x36000000 };
/**
 * 密钥扩展中的T函数
 */
static int T(int num, int round) {
    int numArray[4];
    splitIntToArray(num, numArray);
    leftLoop4int(numArray, 1);//字循环

    //字节代换
    for(int i = 0; i < 4; i++)
        numArray[i] = getNumFromSBox(numArray[i]);

    int result = mergeArrayToInt(numArray);
    return result ^ Rcon[round];
}

2、字节代换的实现

/**
 * 根据索引，从S盒中获得元素
 */
static int getNumFromSBox(int index) {
    int row = getLeft4Bit(index);
    int col = getRight4Bit(index);
    return S[row][col];
}

/**
 * 字节代换
 */
static void subBytes(int array[4][4]){
    for(int i = 0; i < 4; i++)
        for(int j = 0; j < 4; j++)
            array[i][j] = getNumFromSBox(array[i][j]);
}

3、行移位的实现

/**
 * 将数组中的元素循环左移step位
 */
static void leftLoop4int(int array[4], int step) {
    int temp[4];
    for(int i = 0; i < 4; i++)
        temp[i] = array[i];

    int index = step % 4 == 0 ? 0 : step % 4;
    for(int i = 0; i < 4; i++){
        array[i] = temp[index];
        index++;
        index = index % 4;
    }
}

/**
 * 行移位
 */
static void shiftRows(int array[4][4]) {
    int rowTwo[4], rowThree[4], rowFour[4];
    //复制状态矩阵的第2,3,4行
    for(int i = 0; i < 4; i++) {
        rowTwo[i] = array[1][i];
        rowThree[i] = array[2][i];
        rowFour[i] = array[3][i];
    }
    //循环左移相应的位数
    leftLoop4int(rowTwo, 1);
    leftLoop4int(rowThree, 2);
    leftLoop4int(rowFour, 3);

    //把左移后的行复制回状态矩阵中
    for(int i = 0; i < 4; i++) {
        array[1][i] = rowTwo[i];
        array[2][i] = rowThree[i];
        array[3][i] = rowFour[i];
    }
}

4、列混合的实现

/**
 * 列混合要用到的矩阵
 */
static const int colM[4][4] = { 2, 3, 1, 1,
    1, 2, 3, 1,
    1, 1, 2, 3,
    3, 1, 1, 2 };

static int GFMul2(int s) {
    int result = s << 1;
    int a7 = result & 0x00000100;

    if(a7 != 0) {
        result = result & 0x000000ff;
        result = result ^ 0x1b;
    }

    return result;
}

static int GFMul3(int s) {
    return GFMul2(s) ^ s;
}

/**
 * GF上的二元运算
 */
static int GFMul(int n, int s) {
    int result;

    if(n == 1)
        result = s;
    else if(n == 2)
        result = GFMul2(s);
    else if(n == 3)
        result = GFMul3(s);
    else if(n == 0x9)
        result = GFMul9(s);
    else if(n == 0xb)//11
        result = GFMul11(s);
    else if(n == 0xd)//13
        result = GFMul13(s);
    else if(n == 0xe)//14
        result = GFMul14(s);

    return result;
}

/**
 * 列混合
 */
static void mixColumns(int array[4][4]) {

    int tempArray[4][4];

    for(int i = 0; i < 4; i++)
        for(int j = 0; j < 4; j++)
            tempArray[i][j] = array[i][j];

    for(int i = 0; i < 4; i++)
        for(int j = 0; j < 4; j++){
            array[i][j] = GFMul(colM[i][0],tempArray[0][j]) ^ GFMul(colM[i][1],tempArray[1][j])
                ^ GFMul(colM[i][2],tempArray[2][j]) ^ GFMul(colM[i][3], tempArray[3][j]);
        }
}

5、轮密钥加的实现

/**
 * 轮密钥加
 */
static void addRoundKey(int array[4][4], int round) {
    int warray[4];
    for(int i = 0; i < 4; i++) {

        splitIntToArray(w[ round * 4 + i], warray);

        for(int j = 0; j < 4; j++) {
            array[j][i] = array[j][i] ^ warray[j];
        }
    }
}

总AES解密函数

/**
 * 参数 c: 密文的字符串数组。
 * 参数 clen: 密文的长度。
 * 参数 key: 密钥的字符串数组。
 */
void deAes(char *c, int clen, char *key) {

    int keylen = strlen(key);
    if(clen == 0 || clen % 16 != 0) {
        printf("密文字符长度必须为16的倍数！现在的长度为%d\\n",clen);
        exit(0);
    }

    if(!checkKeyLen(keylen)) {
        printf("密钥字符长度错误！长度必须为16、24和32。当前长度为%d\\n",keylen);
        exit(0);
    }

    extendKey(key);//扩展密钥
    int cArray[4][4];
    for(int k = 0; k < clen; k += 16) {
        convertToIntArray(c + k, cArray);


        addRoundKey(cArray, 10);

        int wArray[4][4];
        for(int i = 9; i >= 1; i--) {
            deSubBytes(cArray);

            deShiftRows(cArray);

            deMixColumns(cArray);
            getArrayFrom4W(i, wArray);
            deMixColumns(wArray);

            addRoundTowArray(cArray, wArray);
        }

        deSubBytes(cArray);

        deShiftRows(cArray);

        addRoundKey(cArray, 0);

        convertArrayToStr(cArray, c + k);

    }
}