【密码学】C语言实现AES核心步骤

AES核心步骤的实现

1. 实验内容

按照AES算法，完成AES算法S盒、行移位、列混合、轮密钥加操作

2. AES介绍

高级加密标准（英语：Advanced Encryption Standard，缩写：AES），在密码学中又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。经过五年的甄选流程，高级加密标准由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。2006年，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。

AES采用对称分组密码体制，密钥的长度最少支持为128、192、256，分组长度128位，算法应易于各种硬件和软件实现。

AES加密数据块分组长度必须为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（如果数据块及密钥长度不足时，会补齐）。AES加密有很多轮的重复和变换。大致步骤如下：1、密钥扩展（KeyExpansion），2、初始轮（Initial Round），3、重复轮（Rounds），每一轮又包括：字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混合（MixColumns）、轮密钥加（AddRoundKey），4、最终轮（Final Round），最终轮没有MixColumns。

AES算法的加密整体结构

3. 各变化操作

1. 字节替代

字节替代（SubBytes）：使用一个S盒进行非线性置换，S盒是一个16×16的矩阵，如表4-9所示。字节替代将输入的状态矩阵的每一个字节通过一个简单查表操作，映射为另外一个字节。

输入字节的前4bits指定S盒的行值，后4bits指定S盒的列值，行和列所确定S盒位置的元素作为输出，例如输入字节“03”，行值为0，列值为3，根据表4-9可知第0行第3列对应的值为 “7B”，因此输出字节为“7B”。

举例

在上面的示例中，第1个基本元素为”F5”，它将被S盒行为第”F行”、列为第”5”列的元素“E6“代替，其余的输出也用相同的方法确定。

1. 行移位

状态阵列的4个行循环以字节为基本单位进行左移，而每行循环做移的偏移量是由明文分组的大小和所在行数共同确定，即列数Nb和行号确定。

举例

1. 列混合

举例

1. 轮密钥加

轮密钥加操作是将密钥与明文按比特异或，轮密钥通过密钥扩展得到

4. 代码实现

#include <stdio.h>#define N 4static unsigned char Sbox[16*16] =  // S盒{           //0   1     2     3     4     5     6     7     8     9     a     b     c     d     e     f     /*0*/  0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, 0xf2, 0x6b, 0x6f, 0xc5, 0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, 0xfe, 0xd7, 0xab, 0x76,    /*1*/  0xca, 0x82, 0xc9, 0x7d, 0xfa, 0x59, 0x47, 0xf0, 0xad, 0xd4, 0xa2, 0xaf, 0x9c, 0xa4, 0x72, 0xc0,    /*2*/  0xb7, 0xfd, 0x93, 0x26, 0x36, 0x3f, 0xf7, 0xcc, 0x34, 0xa5, 0xe5, 0xf1, 0x71, 0xd8, 0x31, 0x15,    /*3*/  0x04, 0xc7, 0x23, 0xc3, 0x18, 0x96, 0x05, 0x9a, 0x07, 0x12, 0x80, 0xe2, 0xeb, 0x27, 0xb2, 0x75,    /*4*/  0x09, 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a, 0xa0, 0x52, 0x3b, 0xd6, 0xb3, 0x29, 0xe3, 0x2f, 0x84,    /*5*/  0x53, 0xd1, 0x00, 0xed, 0x20, 0xfc, 0xb1, 0x5b, 0x6a, 0xcb, 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, 0xcf,    /*6*/  0xd0, 0xef, 0xaa, 0xfb, 0x43, 0x4d, 0x33, 0x85, 0x45, 0xf9, 0x02, 0x7f, 0x50, 0x3c, 0x9f, 0xa8,    /*7*/  0x51, 0xa3, 0x40, 0x8f, 0x92, 0x9d, 0x38, 0xf5, 0xbc, 0xb6, 0xda, 0x21, 0x10, 0xff, 0xf3, 0xd2,    /*8*/  0xcd, 0x0c, 0x13, 0xec, 0x5f, 0x97, 0x44, 0x17, 0xc4, 0xa7, 0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73,    /*9*/  0x60, 0x81, 0x4f, 0xdc, 0x22, 0x2a, 0x90, 0x88, 0x46, 0xee, 0xb8, 0x14, 0xde, 0x5e, 0x0b, 0xdb,    /*a*/  0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c, 0xc2, 0xd3, 0xac, 0x62, 0x91, 0x95, 0xe4, 0x79,    /*b*/  0xe7, 0xc8, 0x37, 0x6d, 0x8d, 0xd5, 0x4e, 0xa9, 0x6c, 0x56, 0xf4, 0xea, 0x65, 0x7a, 0xae, 0x08,    /*c*/  0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, 0xa6, 0xb4, 0xc6, 0xe8, 0xdd, 0x74, 0x1f, 0x4b, 0xbd, 0x8b, 0x8a,    /*d*/  0x70, 0x3e, 0xb5, 0x66, 0x48, 0x03, 0xf6, 0x0e, 0x61, 0x35, 0x57, 0xb9, 0x86, 0xc1, 0x1d, 0x9e,    /*e*/  0xe1, 0xf8, 0x98, 0x11, 0x69, 0xd9, 0x8e, 0x94, 0x9b, 0x1e, 0x87, 0xe9, 0xce, 0x55, 0x28, 0xdf,    /*f*/  0x8c, 0xa1, 0x89, 0x0d, 0xbf, 0xe6, 0x42, 0x68, 0x41, 0x99, 0x2d, 0x0f, 0xb0, 0x54, 0xbb, 0x16};static unsigned char RoundKey[N][N] =   // 轮密钥{    0xa0, 0x88, 0x23, 0x2a,    0xfa, 0x54, 0xa3, 0x6c,    0xfe, 0x2c, 0x39, 0x76,    0x17, 0xb1, 0x39, 0x05};void SubBytes(unsigned char State[N][N])    // 字节替代{    int i, j;    char high;    char low;    for (i = 0; i < N; i ++)    {        for (j = 0; j < N; j ++)        {                           low  = State[i][j] & 0x0F;  // 取低4位                high = (State[i][j] >> 4)&0x0f; // 取高4位                State[i][j] = Sbox[16*high + low];        }    }}void ShiftRows(unsigned char State[N][N])   // 行移位{    int i, j, k;    int shiftnum = 0;    char tmp;    for (i = 0; i < N; i ++)    {        for (j = 0; j < shiftnum; j ++)     // 循环左移一次           {             tmp = State[i][0];            for (k = 0; k < N-1; k ++)            {                State[i][k] = State[i][k+1];            }            State[i][k] = tmp;        }        shiftnum ++;                       // 移位次数+1    }}unsigned char gfmultby01(unsigned char b){    return b;}unsigned char gfmultby02(unsigned char b){    if (b < 0x80)        return (unsigned char)(int)(b <<1);    else        return (unsigned char)( (int)(b << 1) ^ (int)(0x1b) );}unsigned char gfmultby03(unsigned char b){    return (unsigned char) ( (int)gfmultby02(b) ^ (int)b );}unsigned char choose(unsigned char a, unsigned char b){    if (a == 0x01)    {        return gfmultby01(b);    }    if (a == 0x02)    {        return gfmultby02(b);    }    if (a == 0x03)    {        return gfmultby03(b);    }     return b;}void MixColumns(unsigned char State[N][N])  // 列混合{    unsigned char mix[N][N] =     {        0x02, 0x03, 0x01, 0x01,        0x01, 0x02, 0x03, 0x01,        0x01, 0x01, 0x02, 0x03,        0x03, 0x01, 0x01, 0x02    };    unsigned char tmp[N];    unsigned char end[N][N];    int i, j, k;    for (i = 0; i < N; i++)    {        for (j = 0; j < N; j++)        {            for (k = 0; k < N; k++)            {                tmp[k] = choose(mix[i][k], State[k][j]);            }            end[i][j] = tmp[0] ^ tmp[1] ^ tmp[2] ^ tmp[3];        }    }    for (i = 0; i < N; i++)    {        for (j = 0; j < N; j++)        {            State[i][j] = end[i][j];        }    }}void AddRoundKey(unsigned char State[N][N], unsigned char RoundKey[N][N]){    int i,j;    for (j = 0; j < N; j ++)    {        for (i = 0; i < N; i ++)            State[i][j] = State[i][j] ^ RoundKey[i][j];    }}int main(){    int i, j, tmp;    unsigned char State[N][N];    printf("请输入数据：");    for (i = 0; i < N; i++)    {        for (j = 0; j < N; j++)        {            scanf("%x", &State[i][j]); //0x19 0x3d 0xe3 0xbe 0xa0 0xf4 0xe2 0x2b 0x9a 0xc6 0x8d 0x2a 0xe9 0xf8 0x48 0x08        }    }    for (i = 0; i < N; i++)    {        for (j = 0; j < i+1; j++)        {            tmp = State[i][j];            State[i][j] = State[j][i];            State[j][i] = tmp;        }    }    printf("\n原始数据为：(列优先)\n");    for (i = 0; i < N; i++)    {        for (j = 0; j < N; j++)        {            printf("%0x ", State[i][j]);        }        printf("\n");    }    printf("\n");    SubBytes(State);    printf("字节替代后：\n");    for (i = 0; i < N; i++)    {        for (j = 0; j < N; j++)        {            printf("%0x ", State[i][j]);        }        printf("\n");    }    printf("\n");    ShiftRows(State);    printf("行移位后：\n");    for (i = 0; i < N; i++)    {        for (j = 0; j < N; j++)        {            printf("%0x ", State[i][j]);        }        printf("\n");    }       printf("\n");    MixColumns(State);    printf("列混合后：\n");    for (i = 0; i < N; i++)    {        for (j = 0; j < N; j++)        {            printf("%0x ", State[i][j]);        }        printf("\n");    }    printf("\n");    AddRoundKey(State, RoundKey);    printf("轮密钥加后：\n");    for (i = 0; i < N; i++)    {        for (j = 0; j < N; j++)        {            printf("%0x ", State[i][j]);        }        printf("\n");    }    return 0;}

5. 实现效果

和fips-192(AES)的标准一样