AES加密——C语言实现 与 原理分析

目录

什么是AES

AES：Advanced Encryption Standard，高级加密标准。
在密码学上又称：Rijndael加密法。

AES 的思想

• 区块加密标准

• 代换—置换网络

• 设计标准

  • 抵抗所有已知的攻击
  • 在多个平台上速度快、编码紧凑
  • 设计简单
• Rijndael轮函数是由3个不同的可逆均匀变换组成

AES加密说明

• 区块长度：固定128Bit，16字节。
• 密钥长度：128Bit、192Bit 或 256Bit。
• 各轮AES加密循环均包含4个步骤：
  
  • 轮密钥加(AddRoundKey): 矩阵中的每个字节与该轮密钥(roundKey)做XOR异或运算。
  • 字节代替(SubBytes):通过非线性的替换函数，用查找表方式把每个字节替换成对应的字节——S盒映射。
  • 行移位(ShiftRows):将矩阵中的每个横列进行循环式移位。
  • 列混淆(MixColumns):用线性转换来混合每列的4个字节。
    ##AES加解密流程图(AES-128)##
    

• AES常见3种方案：

  • AES-128
  • AES-192
  • AES-256

  字节代替(SubBytes)

  功能：通过S盒完成1个字节到另1个字节的映射。
  实现：
  输入1个字节：a = a7a6a5a4a3a2a1a0
  输出1个字节：b = S[a7a6a5a4][a3a2a1a0]

示例：
输入A=0x00-> 输出 S[0][0]=0x63 -> S’[6][3]=0x00
输入A=0x83-> 输出 S[8][3]=0xEC -> S’[0x0E][0x0C]=0x83

实现代码：

    /* * 加密 S盒 S-box  */static uint8_t g_aes_sbox[256] = {    // 0     1     2     3     4     5     6     7     8     9     a     b     c     d     e     f    0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, 0xf2, 0x6b, 0x6f, 0xc5, 0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, 0xfe, 0xd7, 0xab, 0x76, // 0    0xca, 0x82, 0xc9, 0x7d, 0xfa, 0x59, 0x47, 0xf0, 0xad, 0xd4, 0xa2, 0xaf, 0x9c, 0xa4, 0x72, 0xc0, // 1    0xb7, 0xfd, 0x93, 0x26, 0x36, 0x3f, 0xf7, 0xcc, 0x34, 0xa5, 0xe5, 0xf1, 0x71, 0xd8, 0x31, 0x15, // 2    0x04, 0xc7, 0x23, 0xc3, 0x18, 0x96, 0x05, 0x9a, 0x07, 0x12, 0x80, 0xe2, 0xeb, 0x27, 0xb2, 0x75, // 3    0x09, 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a, 0xa0, 0x52, 0x3b, 0xd6, 0xb3, 0x29, 0xe3, 0x2f, 0x84, // 4    0x53, 0xd1, 0x00, 0xed, 0x20, 0xfc, 0xb1, 0x5b, 0x6a, 0xcb, 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, 0xcf, // 5    0xd0, 0xef, 0xaa, 0xfb, 0x43, 0x4d, 0x33, 0x85, 0x45, 0xf9, 0x02, 0x7f, 0x50, 0x3c, 0x9f, 0xa8, // 6    0x51, 0xa3, 0x40, 0x8f, 0x92, 0x9d, 0x38, 0xf5, 0xbc, 0xb6, 0xda, 0x21, 0x10, 0xff, 0xf3, 0xd2, // 7    0xcd, 0x0c, 0x13, 0xec, 0x5f, 0x97, 0x44, 0x17, 0xc4, 0xa7, 0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73, // 8    0x60, 0x81, 0x4f, 0xdc, 0x22, 0x2a, 0x90, 0x88, 0x46, 0xee, 0xb8, 0x14, 0xde, 0x5e, 0x0b, 0xdb, // 9    0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c, 0xc2, 0xd3, 0xac, 0x62, 0x91, 0x95, 0xe4, 0x79, // a    0xe7, 0xc8, 0x37, 0x6d, 0x8d, 0xd5, 0x4e, 0xa9, 0x6c, 0x56, 0xf4, 0xea, 0x65, 0x7a, 0xae, 0x08, // b    0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, 0xa6, 0xb4, 0xc6, 0xe8, 0xdd, 0x74, 0x1f, 0x4b, 0xbd, 0x8b, 0x8a, // c    0x70, 0x3e, 0xb5, 0x66, 0x48, 0x03, 0xf6, 0x0e, 0x61, 0x35, 0x57, 0xb9, 0x86, 0xc1, 0x1d, 0x9e, // d    0xe1, 0xf8, 0x98, 0x11, 0x69, 0xd9, 0x8e, 0x94, 0x9b, 0x1e, 0x87, 0xe9, 0xce, 0x55, 0x28, 0xdf, // e    0x8c, 0xa1, 0x89, 0x0d, 0xbf, 0xe6, 0x42, 0x68, 0x41, 0x99, 0x2d, 0x0f, 0xb0, 0x54, 0xbb, 0x16  // f};

/* *解密S盒- invS_Box */static uint8_t g_aes_invsbox[256] = {    // 0     1     2     3     4     5     6     7     8     9     a     b     c     d     e     f    0x52, 0x09, 0x6a, 0xd5, 0x30, 0x36, 0xa5, 0x38, 0xbf, 0x40, 0xa3, 0x9e, 0x81, 0xf3, 0xd7, 0xfb, // 0    0x7c, 0xe3, 0x39, 0x82, 0x9b, 0x2f, 0xff, 0x87, 0x34, 0x8e, 0x43, 0x44, 0xc4, 0xde, 0xe9, 0xcb, // 1    0x54, 0x7b, 0x94, 0x32, 0xa6, 0xc2, 0x23, 0x3d, 0xee, 0x4c, 0x95, 0x0b, 0x42, 0xfa, 0xc3, 0x4e, // 2    0x08, 0x2e, 0xa1, 0x66, 0x28, 0xd9, 0x24, 0xb2, 0x76, 0x5b, 0xa2, 0x49, 0x6d, 0x8b, 0xd1, 0x25, // 3    0x72, 0xf8, 0xf6, 0x64, 0x86, 0x68, 0x98, 0x16, 0xd4, 0xa4, 0x5c, 0xcc, 0x5d, 0x65, 0xb6, 0x92, // 4    0x6c, 0x70, 0x48, 0x50, 0xfd, 0xed, 0xb9, 0xda, 0x5e, 0x15, 0x46, 0x57, 0xa7, 0x8d, 0x9d, 0x84, // 5    0x90, 0xd8, 0xab, 0x00, 0x8c, 0xbc, 0xd3, 0x0a, 0xf7, 0xe4, 0x58, 0x05, 0xb8, 0xb3, 0x45, 0x06, // 6    0xd0, 0x2c, 0x1e, 0x8f, 0xca, 0x3f, 0x0f, 0x02, 0xc1, 0xaf, 0xbd, 0x03, 0x01, 0x13, 0x8a, 0x6b, // 7    0x3a, 0x91, 0x11, 0x41, 0x4f, 0x67, 0xdc, 0xea, 0x97, 0xf2, 0xcf, 0xce, 0xf0, 0xb4, 0xe6, 0x73, // 8    0x96, 0xac, 0x74, 0x22, 0xe7, 0xad, 0x35, 0x85, 0xe2, 0xf9, 0x37, 0xe8, 0x1c, 0x75, 0xdf, 0x6e, // 9    0x47, 0xf1, 0x1a, 0x71, 0x1d, 0x29, 0xc5, 0x89, 0x6f, 0xb7, 0x62, 0x0e, 0xaa, 0x18, 0xbe, 0x1b, // a    0xfc, 0x56, 0x3e, 0x4b, 0xc6, 0xd2, 0x79, 0x20, 0x9a, 0xdb, 0xc0, 0xfe, 0x78, 0xcd, 0x5a, 0xf4, // b    0x1f, 0xdd, 0xa8, 0x33, 0x88, 0x07, 0xc7, 0x31, 0xb1, 0x12, 0x10, 0x59, 0x27, 0x80, 0xec, 0x5f, // c    0x60, 0x51, 0x7f, 0xa9, 0x19, 0xb5, 0x4a, 0x0d, 0x2d, 0xe5, 0x7a, 0x9f, 0x93, 0xc9, 0x9c, 0xef, // d    0xa0, 0xe0, 0x3b, 0x4d, 0xae, 0x2a, 0xf5, 0xb0, 0xc8, 0xeb, 0xbb, 0x3c, 0x83, 0x53, 0x99, 0x61, // e    0x17, 0x2b, 0x04, 0x7e, 0xba, 0x77, 0xd6, 0x26, 0xe1, 0x69, 0x14, 0x63, 0x55, 0x21, 0x0c, 0x7d  // f};

/* * 函数名：aes_sub_bytes *功能：字节替代。通过S盒完成一个字节到另一个字节的映射。 *说明：设输入字节的值为a=a7a6a5a4a3a2a1a0, *      则输出值为: S[a7a6a5a4][a3a2a1a0] *      S盒为16X16的矩阵。 */void aes_sub_bytes(uint8_t *state) {    uint8_t i, j;    uint8_t row, col;    //循环矩阵    for (i = 0; i < 4; i++)     {        for (j = 0; j < AES_Nb; j++)         {            row = (state[AES_Nb*i + j] & 0xf0) >> 4;        //获取行号            col = state[AES_Nb*i + j] & 0x0f;               //获取列号            state[AES_Nb*i + j] = g_aes_sbox[16*row + col]; //S盒替代        }    }}

/* * 函数名：aes_inv_sub_bytes *功能：字节替代。通过S盒完成一个字节到另一个字节的映射。 *说明：设输入字节的值为a=a7a6a5a4a3a2a1a0, *      则输出值为: S[a7a6a5a4][a3a2a1a0] *      S盒为16X16的矩阵。 */void aes_inv_sub_bytes(uint8_t *state) {    uint8_t i, j;    uint8_t row, col;    //循环矩阵    for (i = 0; i < 4; i++)     {        for (j = 0; j < AES_Nb; j++)         {            row = (state[AES_Nb*i + j] & 0xf0) >> 4;    //获取行号            col = state[AES_Nb*i + j] & 0x0f;           //获取列号            state[AES_Nb*i + j] = g_aes_invsbox[16*row + col];  //S盒替代        }    }}

行移位（ShiftRows）

目的：将矩阵中的每个横列进行循环式移位。
第0行循环左移0位，即不变；
第1行循环左移1位；
第2行循环左移2位；
第3行循环左移3位；

列混淆（MixColumns）

目的：利用GF（2^8）域上算术特性的一个代替。


正向左乘矩阵和逆向左乘矩阵的关系：

注意：
1。Byte(D7~D0)*2的结果：将该值的二进制位左移 1位，若D7=1，移位结果异或0x1B（00011011）。
2。乘法对加法满足分配率。

3。列混淆的矩阵乘法与一般意义上的矩阵乘法有所不同，各值在相加时使用模2加法(Xor运算)。

轮密钥加（AddRoundKey）

目的：
矩阵中的每个字节与该轮密钥做XOR运算。
操作：
加密过程，每轮的输入与轮密钥异或一次；
解密过程，每轮的输入再异或上该轮密钥即可恢复。

密钥扩展

目的：
将初始密钥生成N个子密钥。N为加密轮数。
操作：
将初始密钥以列为主，转化为4个32bit的字(w0~w3)。依次求解w[j],其中j[4,43]
若j%4=0,则 w[j] = w[j-4] xor g(w[j-1])
否则：w[j] = w[j-4] xor w[j-1] .

函数g的流程：
将w循环左移1个字节；
分别对每个字节按S盒进行映射；
与32Bits的常量(RC[j/4],0,0,0)
进行异或。

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