AES加密流程
密码学原理与实践（第三版）的描述如下：
实现AES的代码（Nr=10）：
void AES(char* plaintext, char* key) {
KeyExpansion(key); //轮密钥扩展
plaintext2Array(plaintext, pArray); //字符转字节数组
addRoundKey(pArray, 0); //异或操作
for (int i = 1; i < 10; i++) { //Nr-1轮
SubBytes(pArray);//S盒置换
shiftRows(pArray);//行
mixColumns(pArray);//列
addRoundKey(pArray, i);//异或
}
SubBytes(pArray);
shiftRows(pArray);
addRoundKey(pArray, 10);
printArray(pArray); //打印
return;
}具体实现
SubBytes
具体原理设计有限域知识，这里不再赘述。
代码中可进行类似查表的操作。
//s盒置换, 用于SubBytes和密钥编排
int permutation_s(int n) {
int x = getLeft4Bit(n);
int y = getRight4Bit(n);
int result = S[x][y];
return result;
}
//字节代换
void SubBytes(int array[4][4]) {
for (int i = 0; i < 4; i++) {
for (int j = 0; j < 4; j++) {
array[i][j] = permutation_s(array[i][j]);
}
}
}ShiftRows
这一步的操作较为简单：
// 将数组中的4个元素循环左移n位
static void RotWord_n(int array[4], int n) {
int temp[4];
int index;
for (int i = 0; i < 4; i++) {
temp[i] = array[i];
}
index = n % 4;
for (int i = 0; i < 4; i++) {
array[i] = temp[index];
index++;
index = index % 4;
}
}
// 行变换
static void shiftRows(int array[4][4]) {
for (int i = 1; i < 4; i++)
{
RotWord_n(array[i], i); //0123行分别移位0123
}
return;
}MixColumns
MixColumns在书上的定义如下，伪代码比较复杂：
在实践中，可以利用有限域知识简化计算：
// 有限域GF(2^8)上的乘法函数
int GFMul(int a, int b) {
int result = 0;
while (b > 0) {
if (b & 1) {
result ^= a;
}
if (a & 0x80) {
a = (a << 1) ^ 0x1B; // 0x1B是Rijndael域上的特定多项式
}
else {
a <<= 1;
}
b >>= 1;
}
return result;
}
//列混合
static void mixColumns(int array[4][4]) {
int temp[4][4];
int i, j;
for (i = 0; i < 4; i++)
for (j = 0; j < 4; j++)
temp[i][j] = array[i][j];
for (i = 0; i < 4; i++)
for (j = 0; j < 4; j++) {
array[i][j] = GFMul(colM[i][0], temp[0][j]) ^ GFMul(colM[i][1], temp[1][j])
^ GFMul(colM[i][2], temp[2][j]) ^ GFMul(colM[i][3], temp[3][j]);
}
return;
}AddRoundKey
异或即可，但需要注意字节、字、位的关系。
// 轮密钥异或
//w[]的元素大小为字，array元素大小为字节
static void addRoundKey(int array[4][4], int start) {
int warray[4];
for (int i = 0; i < 4; i++) {
splitIntToArray(w[start * 4 + i], warray); //字拆为字节
for (int j = 0; j < 4; j++) {
array[j][i] = array[j][i] ^ warray[j]; //异或
}
}
return;
}KeyExpansion
KeyExpansion的流程也比较长，严格按书上的定义来做即可。
//密钥扩展，结果存储在w[44]
//每个数组元素为1字
void KeyExpansion(char* key) {
int byteArray[4];
for (int i = 0; i < 4; i++) {
w[i] = getWordFromStr(key + i * 8); //把连续的8个字符合并成一个字
}
//w0w1w2w3即初始密钥
for (int i = 4; i < 44; i++) {
int temp = w[i - 1];
splitIntToArray(temp, byteArray); //把1字分为4字节
if (i % 4 == 0) {
RotWord_n(byteArray, 1); //byteArray左移1位
for (int j = 0; j < 4; j++) {
byteArray[j] = permutation_s(byteArray[j]); //S盒置换
}
temp = mergeArrayToInt(byteArray); //4字节合为一字
temp = temp ^ Rcon[i / 4 - 1];
}
w[i] = w[i - 4] ^ temp; //异或
}
return;
}完整代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;
//密钥对应的扩展数组
static int w[44];
int pArray[4][4] = { 0 };
//密钥编排算法用到的数组
static unsigned int Rcon[10] = { 0x01000000, 0x02000000,
0x04000000, 0x08000000,
0x10000000, 0x20000000,
0x40000000, 0x80000000,
0x1b000000, 0x36000000 };
// S盒
static const int S[16][16] = {
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
};
// 列混合乘法系数矩阵
static const int colM[4][4] = { 2, 3, 1, 1,
1, 2, 3, 1,
1, 1, 2, 3,
3, 1, 1, 2 };
//获得高四位
static int getLeft4Bit(int num) {
int left = num & 0xf0;
return left >> 4;
}
//获得低四位
static int getRight4Bit(int num) {
return num & 0x0f;
}
//把字符转换整型
static int char2int(char s) {
if (s >= '0' && s <= '9') {
return s - '0';
}
else {
return (s - 'a' + 10);
}
}
// 把32个字符转变成4X4的字节数组
static void plaintext2Array(char* p, int s[4][4]) {
int k = 0;
for (int i = 0; i < 4; i++)
for (int j = 0; j < 4; j++) {
s[j][i] = (char2int(p[k]) << 4) | char2int(p[k + 1]); //先字符转整型，再合并(或运算)为一个字节
k += 2;
}
}
// 把连续的8个字符合并成一个字（4字节）的整型，在密钥编排用到
static int getWordFromStr(char* s) {
int ret = 0;
for (int i = 0; i < 8; i++)
{
int temp = char2int(s[i]) << (28 - i * 4);
ret = ret | temp;
}
return ret;
}
// 把数组的四个元素（每个1字节）合并成一个4字节整型
static int mergeArrayToInt(int array[4]) {
int ret = 0;
for (int i = 0; i < 4; i++) {
ret = (ret | (array[i] << (24 - i * 8)));
}
return ret;
}
//将num的四个字节从高到低存储在array[]
static void splitIntToArray(int num, int array[4]) {
for (int i = 0; i < 4; i++)
{
array[i] = (num >> (24 - i * 8)) & 0xff;
}
return;
}
// 将数组中的4个元素循环左移n位
static void RotWord_n(int array[4], int n) {
int temp[4];
int index;
for (int i = 0; i < 4; i++) {
temp[i] = array[i];
}
index = n % 4;
for (int i = 0; i < 4; i++) {
array[i] = temp[index];
index++;
index = index % 4;
}
}
//s盒置换, 用于SubBytes和密钥编排
int permutation_s(int n) {
int x = getLeft4Bit(n);
int y = getRight4Bit(n);
int result = S[x][y];
return result;
}
// 有限域GF(2^8)上的乘法函数
int GFMul(int a, int b) {
int result = 0;
while (b > 0) {
if (b & 1) {
result ^= a;
}
if (a & 0x80) {
a = (a << 1) ^ 0x1B; // 0x1B是Rijndael域上的特定多项式
}
else {
a <<= 1;
}
b >>= 1;
}
return result;
}
//密钥扩展，结果存储在w[44]
//每个数组元素为1字
void KeyExpansion(char* key) {
int byteArray[4];
for (int i = 0; i < 4; i++) {
w[i] = getWordFromStr(key + i * 8); //把连续的8个字符合并成一个字
}
//w0w1w2w3即初始密钥
for (int i = 4; i < 44; i++) {
int temp = w[i - 1];
splitIntToArray(temp, byteArray); //把1字分为4字节
if (i % 4 == 0) {
RotWord_n(byteArray, 1); //byteArray左移1位
for (int j = 0; j < 4; j++) {
byteArray[j] = permutation_s(byteArray[j]); //S盒置换
}
temp = mergeArrayToInt(byteArray); //4字节合为一字
temp = temp ^ Rcon[i / 4 - 1];
}
w[i] = w[i - 4] ^ temp; //异或
}
return;
}
// 轮密钥异或
//w[]的元素大小为字，array元素大小为字节
static void addRoundKey(int array[4][4], int start) {
int warray[4];
for (int i = 0; i < 4; i++) {
splitIntToArray(w[start * 4 + i], warray); //字拆为字节
for (int j = 0; j < 4; j++) {
array[j][i] = array[j][i] ^ warray[j]; //异或
}
}
return;
}
//字节代换
void SubBytes(int array[4][4]) {
for (int i = 0; i < 4; i++) {
for (int j = 0; j < 4; j++) {
array[i][j] = permutation_s(array[i][j]);
}
}
}
// 行变换
static void shiftRows(int array[4][4]) {
for (int i = 1; i < 4; i++)
{
RotWord_n(array[i], i); //0123行分别移位0123
}
return;
}
//列混合
static void mixColumns(int array[4][4]) {
int temp[4][4];
int i, j;
for (i = 0; i < 4; i++)
for (j = 0; j < 4; j++)
temp[i][j] = array[i][j];
for (i = 0; i < 4; i++)
for (j = 0; j < 4; j++) {
array[i][j] = GFMul(colM[i][0], temp[0][j]) ^ GFMul(colM[i][1], temp[1][j])
^ GFMul(colM[i][2], temp[2][j]) ^ GFMul(colM[i][3], temp[3][j]);
}
return;
}
// 输出
static void printArray(int a[4][4]) {
int i, j;
for (i = 0; i < 4; i++) {
for (j = 0; j < 4; j++)
cout << setw(2) << setfill('0') << hex << uppercase << a[j][i];
}
cout << endl;
}
void AES(char* plaintext, char* key) {
KeyExpansion(key); //扩展密钥
plaintext2Array(plaintext, pArray); //生成字节数组
addRoundKey(pArray, 0); //第一次轮密钥加
for (int i = 1; i < 10; i++) { //9轮循环
SubBytes(pArray);//字节代换
shiftRows(pArray);//行移位
mixColumns(pArray);//列混合
addRoundKey(pArray, i);//轮密钥加
}
SubBytes(pArray);
shiftRows(pArray);
addRoundKey(pArray, 10);
printArray(pArray); //输出结果
return;
}
int main()
{
char plain[32];
char key[32];
for (int i = 0; i < 32; i++) {
cin >> key[i];
}
for (int i = 0; i < 32; i++) {
cin >> plain[i];
}
AES(plain, key);
return 0;
}最后，这是千反田，她很可爱：
