AES加密算法的学习笔记
AES簡(jiǎn)介
高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES,Advanced Encryption Standard)為最常見(jiàn)的對(duì)稱加密算法(微信小程序加密傳輸就是用這個(gè)加密算法的)。
對(duì)稱加密算法也就是加密和解密用相同的密鑰，具體的加密流程如下圖：?
下面簡(jiǎn)單介紹下各個(gè)部分的作用與意義：
明文P
沒(méi)有經(jīng)過(guò)加密的數(shù)據(jù)。
密鑰K
用來(lái)加密明文的密碼，在對(duì)稱加密算法中，加密與解密的密鑰是相同的。密鑰為接收方與發(fā)送方協(xié)商產(chǎn)生，但不可以直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，否則會(huì)導(dǎo)致密鑰泄漏，通常是通過(guò)非對(duì)稱加密算法加密密鑰，然后再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給對(duì)方，或者直接面對(duì)面商量密鑰。密鑰是絕對(duì)不可以泄漏的，否則會(huì)被攻擊者還原密文，竊取機(jī)密數(shù)據(jù)。
AES加密函數(shù)
設(shè)AES加密函數(shù)為E，則 C = E(K, P),其中P為明文，K為密鑰，C為密文。也就是說(shuō)，把明文P和密鑰K作為加密函數(shù)的參數(shù)輸入，則加密函數(shù)E會(huì)輸出密文C。
密文C
經(jīng)加密函數(shù)處理后的數(shù)據(jù)
AES解密函數(shù)
設(shè)AES解密函數(shù)為D，則 P = D(K, C),其中C為密文，K為密鑰，P為明文。也就是說(shuō)，把密文C和密鑰K作為解密函數(shù)的參數(shù)輸入，則解密函數(shù)會(huì)輸出明文P。
在這里簡(jiǎn)單介紹下對(duì)稱加密算法與非對(duì)稱加密算法的區(qū)別。
對(duì)稱加密算法
加密和解密用到的密鑰是相同的，這種加密方式加密速度非常快，適合經(jīng)常發(fā)送數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。缺點(diǎn)是密鑰的傳輸比較麻煩。
非對(duì)稱加密算法
加密和解密用的密鑰是不同的，這種加密方式是用數(shù)學(xué)上的難解問(wèn)題構(gòu)造的，通常加密解密的速度比較慢，適合偶爾發(fā)送數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。優(yōu)點(diǎn)是密鑰傳輸方便。常見(jiàn)的非對(duì)稱加密算法為RSA、ECC和EIGamal。
實(shí)際中，一般是通過(guò)RSA加密AES的密鑰，傳輸?shù)浇邮辗?#xff0c;接收方解密得到AES密鑰，然后發(fā)送方和接收方用AES密鑰來(lái)通信。
本文下面AES原理的介紹參考自《現(xiàn)代密碼學(xué)教程》，AES的實(shí)現(xiàn)在介紹完原理后開(kāi)始。
AES的基本結(jié)構(gòu)
AES為分組密碼，分組密碼也就是把明文分成一組一組的，每組長(zhǎng)度相等，每次加密一組數(shù)據(jù)，直到加密完整個(gè)明文。在AES標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，分組長(zhǎng)度只能是128位，也就是說(shuō)，每個(gè)分組為16個(gè)字節(jié)（每個(gè)字節(jié)8位）。密鑰的長(zhǎng)度可以使用128位、192位或256位。密鑰的長(zhǎng)度不同，推薦加密輪數(shù)也不同，如下表所示：
| AES-128 | 4 | 4 | 10 |
| AES-192 | 6 | 4 | 12 |
| AES-256 | 8 | 4 | 14 |
輪數(shù)在下面介紹，這里實(shí)現(xiàn)的是AES-128，也就是密鑰的長(zhǎng)度為128位，加密輪數(shù)為10輪。?
上面說(shuō)到，AES的加密公式為C = E(K,P)，在加密函數(shù)E中，會(huì)執(zhí)行一個(gè)輪函數(shù)，并且執(zhí)行10次這個(gè)輪函數(shù)，這個(gè)輪函數(shù)的前9次執(zhí)行的操作是一樣的，只有第10次有所不同。也就是說(shuō)，一個(gè)明文分組會(huì)被加密10輪。AES的核心就是實(shí)現(xiàn)一輪中的所有操作。
AES的處理單位是字節(jié)，128位的輸入明文分組P和輸入密鑰K都被分成16個(gè)字節(jié)，分別記為P = P0 P1 … P15 和 K = K0 K1 … K15。如，明文分組為P = abcdefghijklmnop,其中的字符a對(duì)應(yīng)P0，p對(duì)應(yīng)P15。一般地，明文分組用字節(jié)為單位的正方形矩陣描述，稱為狀態(tài)矩陣。在算法的每一輪中，狀態(tài)矩陣的內(nèi)容不斷發(fā)生變化，最后的結(jié)果作為密文輸出。該矩陣中字節(jié)的排列順序?yàn)閺纳系较隆淖笾劣乙来闻帕?#xff0c;如下圖所示：
現(xiàn)在假設(shè)明文分組P為”abcdefghijklmnop”，則對(duì)應(yīng)上面生成的狀態(tài)矩陣圖如下：?
上圖中，0x61為字符a的十六進(jìn)制表示。可以看到，明文經(jīng)過(guò)AES加密后，已經(jīng)面目全非。
類似地，128位密鑰也是用字節(jié)為單位的矩陣表示，矩陣的每一列被稱為1個(gè)32位比特字。通過(guò)密鑰編排函數(shù)該密鑰矩陣被擴(kuò)展成一個(gè)44個(gè)字組成的序列W[0],W[1], … ,W[43],該序列的前4個(gè)元素W[0],W[1],W[2],W[3]是原始密鑰，用于加密運(yùn)算中的初始密鑰加（下面介紹）;后面40個(gè)字分為10組，每組4個(gè)字（128比特）分別用于10輪加密運(yùn)算中的輪密鑰加，如下圖所示：?
上圖中，設(shè)K = “abcdefghijklmnop”，則K0 = a, K15 = p, W[0] = K0 K1 K2 K3 = “abcd”。
AES的整體結(jié)構(gòu)如下圖所示，其中的W[0,3]是指W[0]、W[1]、W[2]和W[3]串聯(lián)組成的128位密鑰。加密的第1輪到第9輪的輪函數(shù)一樣，包括4個(gè)操作：字節(jié)代換、行位移、列混合和輪密鑰加。最后一輪迭代不執(zhí)行列混合。另外，在第一輪迭代之前，先將明文和原始密鑰進(jìn)行一次異或加密操作。?
上圖也展示了AES解密過(guò)程，解密過(guò)程仍為10輪，每一輪的操作是加密操作的逆操作。由于AES的4個(gè)輪操作都是可逆的，因此，解密操作的一輪就是順序執(zhí)行逆行移位、逆字節(jié)代換、輪密鑰加和逆列混合。同加密操作類似，最后一輪不執(zhí)行逆列混合，在第1輪解密之前，要執(zhí)行1次密鑰加操作。
AES解密
在文章開(kāi)始的圖中，有AES解密的流程圖，可以對(duì)應(yīng)那個(gè)流程圖來(lái)進(jìn)行解密。下面介紹的是另一種等價(jià)的解密模式，流程圖如下圖所示。這種等價(jià)的解密模式使得解密過(guò)程各個(gè)變換的使用順序同加密過(guò)程的順序一致，只是用逆變換取代原來(lái)的變換。?
AES原理到這里就結(jié)束了，下面主要為AES的實(shí)現(xiàn)
AES算法實(shí)現(xiàn)
AES加密函數(shù)預(yù)覽
aes加密函數(shù)中，首先進(jìn)行密鑰擴(kuò)展，然后把128位長(zhǎng)度的字符串讀進(jìn)一個(gè)4*4的整數(shù)數(shù)組中，這個(gè)數(shù)組就是狀態(tài)矩陣。例如，pArray[0][0] = S0,pArray[1][0] = S1, pArray[0][1] = S4。這個(gè)讀取過(guò)程是通過(guò) convertToIntArray()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)輪操作的函數(shù)都對(duì)pArray進(jìn)行修改，也就是對(duì)狀態(tài)矩陣進(jìn)行混淆。在執(zhí)行完10輪加密后，會(huì)把pArray轉(zhuǎn)換回字符串，再存入明文p的字符數(shù)組中，所以，在加密完后，明文p的字符串中的字符就是加密后的字符了。這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程是通過(guò)convertArrayToStr()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
/*** 參數(shù) p: 明文的字符串?dāng)?shù)組。* 參數(shù) plen: 明文的長(zhǎng)度。* 參數(shù) key: 密鑰的字符串?dāng)?shù)組。*/ void aes(char *p, int plen, char *key){int keylen = strlen(key);if(plen == 0 || plen % 16 != 0) {printf("明文字符長(zhǎng)度必須為16的倍數(shù)！\n");exit(0);}if(!checkKeyLen(keylen)) {printf("密鑰字符長(zhǎng)度錯(cuò)誤！長(zhǎng)度必須為16、24和32。當(dāng)前長(zhǎng)度為%d\n",keylen);exit(0);}extendKey(key);//擴(kuò)展密鑰int pArray[4][4];for(int k = 0; k < plen; k += 16) {convertToIntArray(p + k, pArray);addRoundKey(pArray, 0);//一開(kāi)始的輪密鑰加for(int i = 1; i < 10; i++){//前9輪subBytes(pArray);//字節(jié)代換shiftRows(pArray);//行移位mixColumns(pArray);//列混合addRoundKey(pArray, i);}//第10輪subBytes(pArray);//字節(jié)代換shiftRows(pArray);//行移位addRoundKey(pArray, 10);convertArrayToStr(pArray, p + k);} }1.密鑰擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)
在開(kāi)始加密前，必須先獲得第一輪加密用到的密鑰，故先實(shí)現(xiàn)密鑰擴(kuò)展?
下面是密鑰擴(kuò)展函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，這個(gè)函數(shù)傳入密鑰key的字符串表示，然后從字符串中讀取W[0]到W[3],函數(shù)getWordFromStr()用于實(shí)現(xiàn)此功能。讀取后，就開(kāi)始擴(kuò)展密鑰，當(dāng)i是4的倍數(shù)的時(shí)候，就會(huì)調(diào)用T()函數(shù)來(lái)進(jìn)行擴(kuò)展，因?yàn)門(mén)函數(shù)的行為與加密的輪數(shù)有關(guān)，故要把加密的輪數(shù)?j?作為參數(shù)傳進(jìn)去。
下面是T()函數(shù)的代碼實(shí)現(xiàn)，T()函數(shù)中接收兩個(gè)參數(shù)，參數(shù)num為上面?zhèn)鬟M(jìn)的W[i - 1]，round為加密的輪數(shù)。首先用一個(gè)numArray儲(chǔ)存從32位的W[i-1]中取得4個(gè)字節(jié)。如果W[i-1]為0x12ABCDEF,那么numArray[0] = 0x12,numArray[1] = 0xAB。函數(shù)splitIntToArray()用于從32位整數(shù)中讀取這四個(gè)字節(jié)，之所以這樣做是因?yàn)檎麛?shù)數(shù)組比較容易操作。然后調(diào)用leftLoop4int()函數(shù)把numArray數(shù)組中的4個(gè)元素循環(huán)左移1位。然后執(zhí)行字節(jié)代換，通過(guò)getNumFromSBox()函數(shù)來(lái)獲取S盒中相應(yīng)的值來(lái)替換numArray中的值。接著通過(guò)mergeArrayToInt()函數(shù)把字節(jié)代換后的numArray合并回32位的整數(shù)，在進(jìn)行輪常量異或后返回。
/*** 常量輪值表*/ static const int Rcon[10] = { 0x01000000, 0x02000000,0x04000000, 0x08000000,0x10000000, 0x20000000,0x40000000, 0x80000000,0x1b000000, 0x36000000 }; /*** 密鑰擴(kuò)展中的T函數(shù)*/ static int T(int num, int round) {int numArray[4];splitIntToArray(num, numArray);leftLoop4int(numArray, 1);//字循環(huán)//字節(jié)代換for(int i = 0; i < 4; i++)numArray[i] = getNumFromSBox(numArray[i]);int result = mergeArrayToInt(numArray);return result ^ Rcon[round]; }2. 字節(jié)代換的實(shí)現(xiàn)
字節(jié)代換的代碼很簡(jiǎn)單，就是把狀態(tài)矩陣中的每個(gè)元素傳進(jìn)getNumFromSBox()函數(shù)中，然后取得前面8位中的高4位作為行值，低4位作為列值，然后返回S[row][col]，這里的S是儲(chǔ)存S盒的數(shù)組。
/*** 根據(jù)索引，從S盒中獲得元素*/ static int getNumFromSBox(int index) {int row = getLeft4Bit(index);int col = getRight4Bit(index);return S[row][col]; }/*** 字節(jié)代換*/ 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.行移位的實(shí)現(xiàn)
行移位的時(shí)候，首先把狀態(tài)矩陣中第2，3，4行復(fù)制出來(lái)，然后對(duì)它們行進(jìn)左移相應(yīng)的位數(shù)，然后再?gòu)?fù)制回去狀態(tài)矩陣array中。
/*** 將數(shù)組中的元素循環(huán)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];//復(fù)制狀態(tài)矩陣的第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];}//循環(huán)左移相應(yīng)的位數(shù)leftLoop4int(rowTwo, 1);leftLoop4int(rowThree, 2);leftLoop4int(rowFour, 3);//把左移后的行復(fù)制回狀態(tài)矩陣中for(int i = 0; i < 4; i++) {array[1][i] = rowTwo[i];array[2][i] = rowThree[i];array[3][i] = rowFour[i];} }4.列混合的實(shí)現(xiàn)
列混合函數(shù)中，先把狀態(tài)矩陣初始狀態(tài)復(fù)制一份到tempArray中，然后把tempArray與colM矩陣相乘，colM為存放要乘的常數(shù)矩陣的數(shù)組。其中的GFMul()函數(shù)定義了矩陣相乘時(shí)的乘法，加法則直接通過(guò)異或來(lái)實(shí)現(xiàn)。GFMul()通過(guò)調(diào)用乘以各個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)乘法。例如，S1 * 2 剛通過(guò)調(diào)用GFMul2(S1)來(lái)實(shí)現(xiàn)。S1 * 3 剛通過(guò)GFMul3(S1)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這里，主要實(shí)現(xiàn)GFMul2()函數(shù)就行了，其它的都可以通過(guò)GFMul2()的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。舉個(gè)例子吧，為計(jì)算下面這條等式，需要像下面這樣調(diào)用函數(shù)?
s = GFMul3(0xC9) ^ 0x7A ^ 0x63 ^ GFMul2(0xB0)
/*** 列混合要用到的矩陣*/ 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上的二元運(yùn)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)//11result = GFMul11(s);else if(n == 0xd)//13result = GFMul13(s);else if(n == 0xe)//14result = 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.輪密鑰加的實(shí)現(xiàn)
輪密鑰加的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，就是根據(jù)傳入的輪數(shù)來(lái)把狀態(tài)矩陣與相應(yīng)的W[i]異或。
/*** 輪密鑰加*/ 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];}} }AES解密函數(shù)
AES的解密函數(shù)和加密函數(shù)有點(diǎn)不同，可以參考上面的等價(jià)解密流程圖來(lái)理解，解密函數(shù)中調(diào)用的是各輪操作的逆函數(shù)。逆函數(shù)在這里就不詳細(xì)講解了，可以參考最后的完整代碼。
/*** 參數(shù) c: 密文的字符串?dāng)?shù)組。* 參數(shù) clen: 密文的長(zhǎng)度。* 參數(shù) key: 密鑰的字符串?dāng)?shù)組。*/ void deAes(char *c, int clen, char *key) {int keylen = strlen(key);if(clen == 0 || clen % 16 != 0) {printf("密文字符長(zhǎng)度必須為16的倍數(shù)！現(xiàn)在的長(zhǎng)度為%d\n",clen);exit(0);}if(!checkKeyLen(keylen)) {printf("密鑰字符長(zhǎng)度錯(cuò)誤！長(zhǎng)度必須為16、24和32。當(dāng)前長(zhǎng)度為%d\n",keylen);exit(0);}extendKey(key);//擴(kuò)展密鑰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);} }完整的程序代碼
Linux版本
aes.h
#ifndef AES_H #define AES_H/*** 參數(shù) p: 明文的字符串?dāng)?shù)組。* 參數(shù) plen: 明文的長(zhǎng)度,長(zhǎng)度必須為16的倍數(shù)。* 參數(shù) key: 密鑰的字符串?dāng)?shù)組。*/ void aes(char *p, int plen, char *key);/*** 參數(shù) c: 密文的字符串?dāng)?shù)組。* 參數(shù) clen: 密文的長(zhǎng)度,長(zhǎng)度必須為16的倍數(shù)。* 參數(shù) key: 密鑰的字符串?dāng)?shù)組。*/ void deAes(char *c, int clen, char *key);#endifaes.c
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include "aes.h"/*** 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 };/*** 逆S盒*/ static const int S2[16][16] = { 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 };/*** 獲取整形數(shù)據(jù)的低8位的左4個(gè)位*/ static int getLeft4Bit(int num) {int left = num & 0x000000f0;return left >> 4; }/*** 獲取整形數(shù)據(jù)的低8位的右4個(gè)位*/ static int getRight4Bit(int num) {return num & 0x0000000f; } /*** 根據(jù)索引，從S盒中獲得元素*/ static int getNumFromSBox(int index) {int row = getLeft4Bit(index);int col = getRight4Bit(index);return S[row][col]; }/*** 把一個(gè)字符轉(zhuǎn)變成整型*/ static int getIntFromChar(char c) {int result = (int) c;return result & 0x000000ff; }/*** 把16個(gè)字符轉(zhuǎn)變成4X4的數(shù)組，* 該矩陣中字節(jié)的排列順序?yàn)閺纳系较?#xff0c;* 從左到右依次排列。*/ static void convertToIntArray(char *str, int pa[4][4]) {int k = 0;for(int i = 0; i < 4; i++)for(int j = 0; j < 4; j++) {pa[j][i] = getIntFromChar(str[k]);k++;} }/*** 打印4X4的數(shù)組*/ static void printArray(int a[4][4]) {for(int i = 0; i < 4; i++){for(int j = 0; j < 4; j++)printf("a[%d][%d] = 0x%x ", i, j, a[i][j]);printf("\n");}printf("\n"); }/*** 打印字符串的ASSCI，* 以十六進(jìn)制顯示。*/ static void printASSCI(char *str, int len) {for(int i = 0; i < len; i++)printf("0x%x ", getIntFromChar(str[i]));printf("\n"); }/*** 把連續(xù)的4個(gè)字符合并成一個(gè)4字節(jié)的整型*/ static int getWordFromStr(char *str) {int one = getIntFromChar(str[0]);one = one << 24;int two = getIntFromChar(str[1]);two = two << 16;int three = getIntFromChar(str[2]);three = three << 8;int four = getIntFromChar(str[3]);return one | two | three | four; }/*** 把一個(gè)4字節(jié)的數(shù)的第一、二、三、四個(gè)字節(jié)取出，* 入進(jìn)一個(gè)4個(gè)元素的整型數(shù)組里面。*/ static void splitIntToArray(int num, int array[4]) {int one = num >> 24;array[0] = one & 0x000000ff;int two = num >> 16;array[1] = two & 0x000000ff;int three = num >> 8;array[2] = three & 0x000000ff;array[3] = num & 0x000000ff; }/*** 將數(shù)組中的元素循環(huán)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;} }/*** 把數(shù)組中的第一、二、三和四元素分別作為* 4字節(jié)整型的第一、二、三和四字節(jié)，合并成一個(gè)4字節(jié)整型*/ static int mergeArrayToInt(int array[4]) {int one = array[0] << 24;int two = array[1] << 16;int three = array[2] << 8;int four = array[3];return one | two | three | four; }/*** 常量輪值表*/ static const int Rcon[10] = { 0x01000000, 0x02000000,0x04000000, 0x08000000,0x10000000, 0x20000000,0x40000000, 0x80000000,0x1b000000, 0x36000000 }; /*** 密鑰擴(kuò)展中的T函數(shù)*/ static int T(int num, int round) {int numArray[4];splitIntToArray(num, numArray);leftLoop4int(numArray, 1);//字循環(huán)//字節(jié)代換for(int i = 0; i < 4; i++)numArray[i] = getNumFromSBox(numArray[i]);int result = mergeArrayToInt(numArray);return result ^ Rcon[round]; }//密鑰對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展數(shù)組 static int w[44];/*** 擴(kuò)展密鑰，結(jié)果是把w[44]中的每個(gè)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++;//下一輪}else {w[i] = w[i - 4] ^ w[i - 1];}}}/*** 輪密鑰加*/ 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];}} }/*** 字節(jié)代換*/ 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]); }/*** 行移位*/ static void shiftRows(int array[4][4]) {int rowTwo[4], rowThree[4], rowFour[4];//復(fù)制狀態(tài)矩陣的第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];}//循環(huán)左移相應(yīng)的位數(shù)leftLoop4int(rowTwo, 1);leftLoop4int(rowThree, 2);leftLoop4int(rowFour, 3);//把左移后的行復(fù)制回狀態(tài)矩陣中for(int i = 0; i < 4; i++) {array[1][i] = rowTwo[i];array[2][i] = rowThree[i];array[3][i] = rowFour[i];} }/*** 列混合要用到的矩陣*/ 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; }static int GFMul4(int s) {return GFMul2(GFMul2(s)); }static int GFMul8(int s) {return GFMul2(GFMul4(s)); }static int GFMul9(int s) {return GFMul8(s) ^ s; }static int GFMul11(int s) {return GFMul9(s) ^ GFMul2(s); }static int GFMul12(int s) {return GFMul8(s) ^ GFMul4(s); }static int GFMul13(int s) {return GFMul12(s) ^ s; }static int GFMul14(int s) {return GFMul12(s) ^ GFMul2(s); }/*** GF上的二元運(yùn)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)//11result = GFMul11(s);else if(n == 0xd)//13result = GFMul13(s);else if(n == 0xe)//14result = 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]);} } /*** 把4X4數(shù)組轉(zhuǎn)回字符串*/ static void convertArrayToStr(int array[4][4], char *str) {for(int i = 0; i < 4; i++)for(int j = 0; j < 4; j++)*str++ = (char)array[j][i]; } /*** 檢查密鑰長(zhǎng)度*/ static int checkKeyLen(int len) {if(len == 16)return 1;elsereturn 0; }/*** 參數(shù) p: 明文的字符串?dāng)?shù)組。* 參數(shù) plen: 明文的長(zhǎng)度。* 參數(shù) key: 密鑰的字符串?dāng)?shù)組。*/ void aes(char *p, int plen, char *key){int keylen = strlen(key);if(plen == 0 || plen % 16 != 0) {printf("明文字符長(zhǎng)度必須為16的倍數(shù)！\n");exit(0);}if(!checkKeyLen(keylen)) {printf("密鑰字符長(zhǎng)度錯(cuò)誤！長(zhǎng)度必須為16、24和32。當(dāng)前長(zhǎng)度為%d\n",keylen);exit(0);}extendKey(key);//擴(kuò)展密鑰int pArray[4][4];for(int k = 0; k < plen; k += 16) { convertToIntArray(p + k, pArray);addRoundKey(pArray, 0);//一開(kāi)始的輪密鑰加for(int i = 1; i < 10; i++){//前9輪subBytes(pArray);//字節(jié)代換shiftRows(pArray);//行移位mixColumns(pArray);//列混合addRoundKey(pArray, i);}//第10輪subBytes(pArray);//字節(jié)代換shiftRows(pArray);//行移位addRoundKey(pArray, 10);convertArrayToStr(pArray, p + k);} } /*** 根據(jù)索引從逆S盒中獲取值*/ static int getNumFromS1Box(int index) {int row = getLeft4Bit(index);int col = getRight4Bit(index);return S2[row][col]; } /*** 逆字節(jié)變換*/ static void deSubBytes(int array[4][4]) {for(int i = 0; i < 4; i++)for(int j = 0; j < 4; j++)array[i][j] = getNumFromS1Box(array[i][j]); } /*** 把4個(gè)元素的數(shù)組循環(huán)右移step位*/ static void rightLoop4int(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;index = 3 - index;for(int i = 3; i >= 0; i--) {array[i] = temp[index];index--;index = index == -1 ? 3 : index;} }/*** 逆行移位*/ static void deShiftRows(int array[4][4]) {int rowTwo[4], rowThree[4], rowFour[4];for(int i = 0; i < 4; i++) {rowTwo[i] = array[1][i];rowThree[i] = array[2][i];rowFour[i] = array[3][i];}rightLoop4int(rowTwo, 1);rightLoop4int(rowThree, 2);rightLoop4int(rowFour, 3);for(int i = 0; i < 4; i++) {array[1][i] = rowTwo[i];array[2][i] = rowThree[i];array[3][i] = rowFour[i];} } /*** 逆列混合用到的矩陣*/ static const int deColM[4][4] = { 0xe, 0xb, 0xd, 0x9,0x9, 0xe, 0xb, 0xd,0xd, 0x9, 0xe, 0xb,0xb, 0xd, 0x9, 0xe };/*** 逆列混合*/ static void deMixColumns(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(deColM[i][0],tempArray[0][j]) ^ GFMul(deColM[i][1],tempArray[1][j]) ^ GFMul(deColM[i][2],tempArray[2][j]) ^ GFMul(deColM[i][3], tempArray[3][j]);} } /*** 把兩個(gè)4X4數(shù)組進(jìn)行異或*/ static void addRoundTowArray(int aArray[4][4],int bArray[4][4]) {for(int i = 0; i < 4; i++)for(int j = 0; j < 4; j++)aArray[i][j] = aArray[i][j] ^ bArray[i][j]; } /*** 從4個(gè)32位的密鑰字中獲得4X4數(shù)組，* 用于進(jìn)行逆列混合*/ static void getArrayFrom4W(int i, int array[4][4]) {int index = i * 4;int colOne[4], colTwo[4], colThree[4], colFour[4];splitIntToArray(w[index], colOne);splitIntToArray(w[index + 1], colTwo);splitIntToArray(w[index + 2], colThree);splitIntToArray(w[index + 3], colFour);for(int i = 0; i < 4; i++) {array[i][0] = colOne[i];array[i][1] = colTwo[i];array[i][2] = colThree[i];array[i][3] = colFour[i];}}/*** 參數(shù) c: 密文的字符串?dāng)?shù)組。* 參數(shù) clen: 密文的長(zhǎng)度。* 參數(shù) key: 密鑰的字符串?dāng)?shù)組。*/ void deAes(char *c, int clen, char *key) {int keylen = strlen(key);if(clen == 0 || clen % 16 != 0) {printf("密文字符長(zhǎng)度必須為16的倍數(shù)！現(xiàn)在的長(zhǎng)度為%d\n",clen);exit(0);}if(!checkKeyLen(keylen)) {printf("密鑰字符長(zhǎng)度錯(cuò)誤！長(zhǎng)度必須為16、24和32。當(dāng)前長(zhǎng)度為%d\n",keylen);exit(0);}extendKey(key);//擴(kuò)展密鑰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);} }main.c
#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <string.h> #include <stdlib.h>#include "aes.h"#define MAXLEN 1024void getString(char *str, int len){int slen = read(0, str, len);for(int i = 0; i < slen; i++,str++){if(*str == '\n'){*str = '\0';break;}} }void printASCCI(char *str, int len) {int c;for(int i = 0; i < len; i++) {c = (int)*str++;c = c & 0x000000ff;printf("0x%x ", c);}printf("\n"); }/*** 從標(biāo)準(zhǔn)輸入中讀取用戶輸入的字符串*/ void readPlainText(char *str, int *len) {int plen;while(1) {getString(str, MAXLEN);plen = strlen(str);if(plen != 0 && plen % 16 == 0) {printf("你輸入的明文為：%s\n", str);break;}else{printf("明文字符長(zhǎng)度必須為16的倍數(shù),現(xiàn)在的長(zhǎng)度為%d\n", plen);}}*len = plen; } /*** 把字符串寫(xiě)進(jìn)文件*/ void writeStrToFile(char *str, int len, char *fileName) {FILE *fp;fp = fopen(fileName, "wb");for(int i = 0; i < len; i++)putc(str[i], fp);fclose(fp); }void aesStrToFile(char *key) {char p[MAXLEN];int plen;printf("請(qǐng)輸入你的明文，明文字符長(zhǎng)度必須為16的倍數(shù)\n");readPlainText(p,&plen);printf("進(jìn)行AES加密..................\n");aes(p, plen, key);//AES加密printf("加密完后的明文的ASCCI為：\n");printASCCI(p, plen);char fileName[64];printf("請(qǐng)輸入你想要寫(xiě)進(jìn)的文件名，比如'test.txt':\n");if(scanf("%s", fileName) == 1) { writeStrToFile(p, plen, fileName);printf("已經(jīng)將密文寫(xiě)進(jìn)%s中了,可以在運(yùn)行該程序的當(dāng)前目錄中找到它。\n", fileName);} } /*** 從文件中讀取字符串*/ int readStrFromFile(char *fileName, char *str) {FILE *fp = fopen(fileName, "rb");if(fp == NULL) {printf("打開(kāi)文件出錯(cuò)，請(qǐng)確認(rèn)文件存在當(dāng)前目錄下！\n");exit(0);}int i;for(i = 0; i < MAXLEN && (str[i] = getc(fp)) != EOF; i++);if(i >= MAXLEN) {printf("解密文件過(guò)大！\n");exit(0);}str[i] = '\0';fclose(fp);return i; }void deAesFile(char *key) {char fileName[64];char c[MAXLEN];//密文字符串printf("請(qǐng)輸入要解密的文件名，該文件必須和本程序在同一個(gè)目錄\n");if(scanf("%s", fileName) == 1) {int clen = readStrFromFile(fileName, c);printf("開(kāi)始解密.........\n");deAes(c, clen, key);printf("解密后的明文ASCII為：\n");printASCCI(c, clen);printf("明文為：%s\n", c);writeStrToFile(c,clen,fileName);printf("現(xiàn)在可以打開(kāi)%s來(lái)查看解密后的密文了！\n",fileName);} }void aesFile(char *key) {char fileName[64];char fileP[MAXLEN];printf("請(qǐng)輸入要加密的文件名，該文件必須和本程序在同一個(gè)目錄\n");if(scanf("%s", fileName) == 1) {readStrFromFile(fileName, fileP);int plen = strlen(fileP);printf("開(kāi)始加密.........\n");printf("加密前文件中字符的ASCII為：\n");printASCCI(fileP, plen);aes(fileP, plen, key);//開(kāi)始加密printf("加密后的密文ASCII為：\n");printASCCI(fileP, plen);writeStrToFile(fileP,plen,fileName);printf("已經(jīng)將加密后的密文寫(xiě)進(jìn)%s中了\n",fileName);} }int main(int argc, char const *argv[]) {char key[17];printf("請(qǐng)輸入16個(gè)字符的密鑰：\n");int klen;while(1){getString(key,17);klen = strlen(key);if(klen != 16){printf("請(qǐng)輸入16個(gè)字符的密鑰,當(dāng)前密鑰的長(zhǎng)度為%d\n",klen);}else{printf("你輸入的密鑰為：%s\n",key);break;}}printf("輸入's'表示要加密輸入的字符串,并將加密后的內(nèi)容寫(xiě)入到文件\n");printf("請(qǐng)輸入要功能選項(xiàng)并按回車，輸入'f'表示要加密文件\n");printf("輸入'p'表示要解密文件\n");char c;if(scanf("%s",&c) == 1) {if(c == 's')aesStrToFile(key);//用AES加密字符串，并將字符串寫(xiě)進(jìn)文件中else if(c == 'p')deAesFile(key);//把文件中的密文解密，并寫(xiě)回文件中else if(c == 'f')//用AES加密文件aesFile(key);}return 0; }通過(guò)下面的gcc命令來(lái)編譯運(yùn)行：
gcc -o aes aes.c main.c?總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的AES加密算法的学习笔记的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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