AES背景简介
高级加密标准，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。 —— 维基百科
曾经广泛使用的DES久负盛名，因为它的56位密钥过短（再加上8位校验码，也称为64位密钥），已被AES逐渐取代。在计算机的升级换代后，其运算速度大幅度提高， 破解DES密钥所需时间也将越来越短，于是在2000年10月，NIST（National Institute of Standords and Technology）选择了新的密码——高级加密标准AES，用于替代DES。
无论是之前的DES还是现在广泛使用的AES，都属于对称密码技术。对称密码技术和公开密钥密码技术（如著名的RSA）相比，加密密钥和解密密钥是相同的，其最大的优势就是速度快，一般用于大量数据的加密和解密。
AES算法描述
原理详述
AES算法是基于置换和代替的，置换是数据的重新排列，而代替是用一个单元数据替换另一个。AES使用了几种不同的技术来实现置换和替换，包括：
- SubBytes ：字节代换，属于非线性变换，独立地将状态的每个字节进行。代换表（S-盒）是可逆的。状态矩阵按照下面的方式被映射成为一个新的字节：
将该字节的高4位作为行值，低4位作为列值，得到S盒或逆S盒的对应元素作为输出。
例如输入字节0x12，取S盒的第0x01行第0x02列，得到0xC9。
- ShiftRows ：行循环移位，在行循环移位变换中，状态阵列的后三行循环移位不同的偏移量。第0行不移动，第1行循环移位C1字节，第2行循环移位C2字节，第3行循环移位C3字节。偏移量C1、C2、C3与分组长度 $N_{b}$ 有关。如下表所示.
| $N_b$ | C1 | C2 | C3 |
|---|---|---|---|
| 4 | 1 | 2 | 3 |
| 6 | 1 | 2 | 3 |
| 8 | 1 | 3 | 4 |
行移位示意图：
- MixColumn ：列混合运算，该运算将状态(State)的列看作是有限域$GF(2^8)$上的多项式$a(x)$，与多项式$c(x)$相乘（在模（$x^4+1$）下）。运算公式如下：
begin{equation}
b(x)=c(x)*a(x) mod (x^4+1)
end{equation}
列混合运算示意图
- AddRoundKey ：密钥加，它是将轮密钥简单地与状态进行逐比特异或。轮密钥由种子密钥通过密钥编排算法得到，轮密钥长度等于分组长度$N_b$。
密钥加运算示意图：
AES的密钥调度
- 密钥bit的总数 = 分组长度 x （轮数Round + 1）
- 当分组长度是128bit且轮数为10时，轮密钥长度为$128 * (10+1) = 1408 bit$
- 将初始密钥扩展成扩展密钥
- 轮密钥从扩展密钥中取，第1轮轮密钥取扩展密钥的前$N_b$个字，第2轮轮密钥取接下来的$N_b$个字，以此类推。
密钥扩展
AES密钥扩展图如下： - 函数$T$由三部分组成：字循环移位、字节代换和轮常量异或。
- 字循环移位：将1个字中的4个字节循环左移1个字节，即将输入字$[b_0, b_1 , b_2 , b_3]$变换为$[b_1, b_2 , b_3 , b_0]$。
- 字节代换：对字循环的结果使用S盒进行字节代换。
- 轮常量异或： 将前两步的结果同轮常量$Rcon[j]$进行异或，其中$j$表示轮数。
- 轮常量是一个字，使用轮常量是为了防止不同轮中产生的轮密钥的对称性或相似性。
AES小结
- AES的密钥长度和加密轮数列表如下：
| name | 密钥长度(32bit)$(N_k)$ | 分组长度$N_b$ | 加密轮数$(N_r)$ |
|---|---|---|---|
| AES-128 | 4 | 4 | 10 |
| AES-192 | 6 | 4 | 12 |
| AES-256 | 8 | 4 | 14 |
显然，AES是一个迭代的对称密钥分组的密码，它可以使用128,192和256位密钥，并且用128位（16字节）分组加密和解密数据。
- AES的加密/解密流程图
AES的应用
研一第一学期我们院系除了别的课程，还开了两门课，现代密码学和网络信息安全，这两门课程我也都选择了，因为均有涉及到密码基础学，并且网络信息安全这门课的老师在上周留了一个project，写一个程序要求利用AES算法实现对文本文件的内容加解密，具体要求如下：
- 从命令行接收3个参数
- 参数1=enc表示加密，参数1=dec表示解密
- 参数2为待加密、解密的文件名
- 参数3为密码
为了快速实现这一功能，我直接调用了openssl库里的现有AES算法，整个程序的代码如下：
123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127 | #include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <unistd.h>#include <sys/mman.h>#define N 4096#include "openssl/aes.h"#pragma comment(lib,"libeay32.lib")unsigned char buf[16];unsigned char buf2[16];unsigned char aes_keybuf[32];AES_KEY aeskey;void (char inString[], int inLen, char passwd[], int pwdLen){ int i,j, len, nLoop, nRes; char enString[N]; // 准备32字节(256位)的AES密码字节 memset(aes_keybuf,0x90,32); if(pwdLen<32){ len=pwdLen; } else { len=32;} for(i=0;i<len;i++) aes_keybuf[i]=passwd[i]; // 输入字节串分组成16字节的块 nLoop=inLen/16; nRes = inLen%16; // 加密输入的字节串 AES_set_encrypt_key(aes_keybuf,256,&aeskey); for(i=0;i<nLoop;i++){ memset(buf,0,16); for(j=0;j<16;j++) buf[j]=inString[i*16+j]; AES_encrypt(buf,buf2,&aeskey); for(j=0;j<16;j++) enString[i*16+j]=buf2[j]; } if(nRes>0){ memset(buf,0,16); for(j=0;j<nRes;j++) buf[j]=inString[i*16+j]; AES_encrypt(buf,buf2,&aeskey); for(j=0;j<16;j++) enString[i*16+j]=buf2[j]; //puts("encrypt"); } enString[i*16+j]=0; printf("The encrypted string is:n %s ", enString); FILE *fp; fp = fopen("enc_string.txt","w"); if(fp==NULL){ printf("Failure to open the file.n"); }else{ fwrite(enString, 1, sizeof(enString), fp); } fclose(fp); // return enString;}void decode(char *enStr, int inLen, char passwd[], int pwdLen){ int i,j, len, nLoop, nRes; char deString[N]; // 准备32字节(256位)的AES密码字节 memset(aes_keybuf,0x90,32); if(pwdLen<32){ len=pwdLen; } else { len=32;} for(i=0;i<len;i++) aes_keybuf[i]=passwd[i]; // 输入字节串分组成16字节的块 nLoop=inLen/16; nRes = inLen%16; // 密文串的解密 AES_set_decrypt_key(aes_keybuf,256,&aeskey); for(i=0;i<nLoop;i++){ memset(buf,0,16); for(j=0;j<16;j++) buf[j]=enStr[i*16+j]; AES_decrypt(buf,buf2,&aeskey); for(j=0;j<16;j++) deString[i*16+j]=buf2[j]; } if(nRes>0){ memset(buf,0,16); for(j=0;j<16;j++) buf[j]=enStr[i*16+j]; AES_decrypt(buf,buf2,&aeskey); for(j=0;j<16;j++) deString[i*16+j]=buf2[j]; //puts("decrypt"); } deString[i*16+nRes]=0; printf("The decrypted string is:n %s ", deString); }int main(int argc, char* argv[]){ char *inString; if(argc != 4){ printf("usage: %s <purpose> <filename> <password>n", argv[0]); } char *purpose = argv[1]; char *filename = argv[2]; char *passwd = argv[3]; struct stat sb; int fd; fd = open(filename, O_RDONLY); fstat(fd, &sb); inString = (char *)mmap(NULL, sb.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0); close(fd); if(strcmp(purpose, "enc") == 0){ encode(inString, strlen(inString), passwd, strlen(passwd)); }else if(strcmp(purpose, "dec") == 0){ decode(inString, strlen(inString), passwd, strlen(passwd)); }else{ fprintf(stderr, "the first argument must be 'enc' or 'dec' %sn", argv[0]); } return 0;} |
代码的组织逻辑非常简单:
- main 函数：接收命令行参数，并读取指定的文件内容。
- encode 函数：对字符串利用openssl库里的aes算法加密（使用命令行参数3提供的密码）。
- decode 函数：对文本文件里的加密串进行解密，由密文转换成明文。
需要注意的是，在Linux下面利用openssl库进行开发之前，必须保证已安装openssl，否则编译报错。
安装openssl的命令是：
12 | sudo apt-get install opensslsudo apt-get install libssl-dev |
编译源码时，需要在后面添加-lcrypto，因为在链接时需要用到linux下的加密库。假设源代码文件名为encfile.cpp，编译命令：
1 | gcc -o encfile encfile.cpp -lcrypto |
总结
在写这篇博客的过程中，花费了我很多精力和时间。其实在大三下阶段我就上过关于密码学的课程，但是由于当时逃课成瘾，课上几乎没怎么听，只是简单地应付了一下考试，所以关于密码学的相关知识基础非常薄弱，于是趁着现在事情不算多，又在现阶段重新选了密码学的课程，就把最近在密码学里面刚学到的的AES算法进行一个总结并实践之。
来源：https://www.cnblogs.com/liuzhongrong/p/12345861.html