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  • AES加密算法的详细介绍与实现

    万次阅读 多人点赞 2017-02-19 08:53:54
    AES简介高级加密标准(AES,Advanced Encryption Standard)为最常见的对称加密算法(微信小程序加密传输就是用这个加密算法的)。对称加密算法也就是加密和解密用相同的密钥,具体的加密流程如下图: 下面简单介绍下...

    AES简介

    高级加密标准(AES,Advanced Encryption Standard)为最常见的对称加密算法(微信小程序加密传输就是用这个加密算法的)。对称加密算法也就是加密和解密用相同的密钥,具体的加密流程如下图:
    加密流程图
    下面简单介绍下各个部分的作用与意义:

    • 明文P

    没有经过加密的数据。

    • 密钥K

    用来加密明文的密码,在对称加密算法中,加密与解密的密钥是相同的。密钥为接收方与发送方协商产生,但不可以直接在网络上传输,否则会导致密钥泄漏,通常是通过非对称加密算法加密密钥,然后再通过网络传输给对方,或者直接面对面商量密钥。密钥是绝对不可以泄漏的,否则会被攻击者还原密文,窃取机密数据。

    • AES加密函数

    设AES加密函数为E,则 C = E(K, P),其中P为明文,K为密钥,C为密文。也就是说,把明文P和密钥K作为加密函数的参数输入,则加密函数E会输出密文C。

    • 密文C

    经加密函数处理后的数据

    • AES解密函数

    设AES解密函数为D,则 P = D(K, C),其中C为密文,K为密钥,P为明文。也就是说,把密文C和密钥K作为解密函数的参数输入,则解密函数会输出明文P。

    在这里简单介绍下对称加密算法与非对称加密算法的区别。

    • 对称加密算法

    加密和解密用到的密钥是相同的,这种加密方式加密速度非常快,适合经常发送数据的场合。缺点是密钥的传输比较麻烦。

    • 非对称加密算法

    加密和解密用的密钥是不同的,这种加密方式是用数学上的难解问题构造的,通常加密解密的速度比较慢,适合偶尔发送数据的场合。优点是密钥传输方便。常见的非对称加密算法为RSA、ECC和EIGamal。

    实际中,一般是通过RSA加密AES的密钥,传输到接收方,接收方解密得到AES密钥,然后发送方和接收方用AES密钥来通信。

    本文下面AES原理的介绍参考自《现代密码学教程》,AES的实现在介绍完原理后开始。

    AES的基本结构

    AES为分组密码,分组密码也就是把明文分成一组一组的,每组长度相等,每次加密一组数据,直到加密完整个明文。在AES标准规范中,分组长度只能是128位,也就是说,每个分组为16个字节(每个字节8位)。密钥的长度可以使用128位、192位或256位。密钥的长度不同,推荐加密轮数也不同,如下表所示:

    AES 密钥长度(32位比特字) 分组长度(32位比特字) 加密轮数
    AES-128 4 4 10
    AES-192 6 4 12
    AES-256 8 4 14

    轮数在下面介绍,这里实现的是AES-128,也就是密钥的长度为128位,加密轮数为10轮。
    上面说到,AES的加密公式为C = E(K,P),在加密函数E中,会执行一个轮函数,并且执行10次这个轮函数,这个轮函数的前9次执行的操作是一样的,只有第10次有所不同。也就是说,一个明文分组会被加密10轮。AES的核心就是实现一轮中的所有操作。

    AES的处理单位是字节,128位的输入明文分组P和输入密钥K都被分成16个字节,分别记为P = P0 P1 … P15 和 K = K0 K1 … K15。如,明文分组为P = abcdefghijklmnop,其中的字符a对应P0,p对应P15。一般地,明文分组用字节为单位的正方形矩阵描述,称为状态矩阵。在算法的每一轮中,状态矩阵的内容不断发生变化,最后的结果作为密文输出。该矩阵中字节的排列顺序为从上到下、从左至右依次排列,如下图所示:
    state

    现在假设明文分组P为"abcdefghijklmnop",则对应上面生成的状态矩阵图如下:
    state2
    上图中,0x61为字符a的十六进制表示。可以看到,明文经过AES加密后,已经面目全非。

    类似地,128位密钥也是用字节为单位的矩阵表示,矩阵的每一列被称为1个32位比特字。通过密钥编排函数该密钥矩阵被扩展成一个44个字组成的序列W[0],W[1], … ,W[43],该序列的前4个元素W[0],W[1],W[2],W[3]是原始密钥,用于加密运算中的初始密钥加(下面介绍);后面40个字分为10组,每组4个字(128比特)分别用于10轮加密运算中的轮密钥加,如下图所示:
    keystate
    上图中,设K = “abcdefghijklmnop”,则K0 = a, K15 = p, W[0] = K0 K1 K2 K3 = “abcd”。

    AES的整体结构如下图所示,其中的W[0,3]是指W[0]、W[1]、W[2]和W[3]串联组成的128位密钥。加密的第1轮到第9轮的轮函数一样,包括4个操作:字节代换、行位移、列混合和轮密钥加。最后一轮迭代不执行列混合。另外,在第一轮迭代之前,先将明文和原始密钥进行一次异或加密操作。
    aes_struct
    上图也展示了AES解密过程,解密过程仍为10轮,每一轮的操作是加密操作的逆操作。由于AES的4个轮操作都是可逆的,因此,解密操作的一轮就是顺序执行逆行移位、逆字节代换、轮密钥加和逆列混合。同加密操作类似,最后一轮不执行逆列混合,在第1轮解密之前,要执行1次密钥加操作。

    下面分别介绍AES中一轮的4个操作阶段,这4分操作阶段使输入位得到充分的混淆。

    一、字节代换

    1.字节代换操作

    AES的字节代换其实就是一个简单的查表操作。AES定义了一个S盒和一个逆S盒。
    AES的S盒:

    行/列 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

    状态矩阵中的元素按照下面的方式映射为一个新的字节:把该字节的高4位作为行值,低4位作为列值,取出S盒或者逆S盒中对应的行的元素作为输出。例如,加密时,输出的字节S1为0x12,则查S盒的第0x01行和0x02列,得到值0xc9,然后替换S1原有的0x12为0xc9。状态矩阵经字节代换后的图如下:
    字节变换

    2.字节代换逆操作

    逆字节代换也就是查逆S盒来变换,逆S盒如下:

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

    二、行移位

    1.行移位操作

    行移位是一个简单的左循环移位操作。当密钥长度为128比特时,状态矩阵的第0行左移0字节,第1行左移1字节,第2行左移2字节,第3行左移3字节,如下图所示:
    shiftRows

    2.行移位的逆变换

    行移位的逆变换是将状态矩阵中的每一行执行相反的移位操作,例如AES-128中,状态矩阵的第0行右移0字节,第1行右移1字节,第2行右移2字节,第3行右移3字节。

    三、列混合

    1.列混合操作

    列混合变换是通过矩阵相乘来实现的,经行移位后的状态矩阵与固定的矩阵相乘,得到混淆后的状态矩阵,如下图的公式所示:
    col

    状态矩阵中的第j列(0 ≤j≤3)的列混合可以表示为下图所示:
    col2

    其中,矩阵元素的乘法和加法都是定义在基于GF(2^8)上的二元运算,并不是通常意义上的乘法和加法。这里涉及到一些信息安全上的数学知识,不过不懂这些知识也行。其实这种二元运算的加法等价于两个字节的异或,乘法则复杂一点。对于一个8位的二进制数来说,使用域上的乘法乘以(00000010)等价于左移1位(低位补0)后,再根据情况同(00011011)进行异或运算,设S1 = (a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0),刚0x02 * S1如下图所示:
    col3
    也就是说,如果a7为1,则进行异或运算,否则不进行。
    类似地,乘以(00000100)可以拆分成两次乘以(00000010)的运算:
    col4
    乘以(0000 0011)可以拆分成先分别乘以(0000 0001)和(0000 0010),再将两个乘积异或:
    在这里插入图片描述

    因此,我们只需要实现乘以2的函数,其他数值的乘法都可以通过组合来实现。
    下面举个具体的例子,输入的状态矩阵如下:

    C9 E5 FD 2B
    7A F2 78 6E
    63 9C 26 67
    B0 A7 82 E5

    下面,进行列混合运算:
    以第一列的运算为例:
    col7
    其它列的计算就不列举了,列混合后生成的新状态矩阵如下:

    D4 E7 CD 66
    28 02 E5 BB
    BE C6 D6 BF
    22 0F DF A5

    2.列混合逆运算

    逆向列混合变换可由下图的矩阵乘法定义:
    col6
    可以验证,逆变换矩阵同正变换矩阵的乘积恰好为单位矩阵。

    四、轮密钥加

    轮密钥加是将128位轮密钥Ki同状态矩阵中的数据进行逐位异或操作,如下图所示。其中,密钥Ki中每个字W[4i],W[4i+1],W[4i+2],W[4i+3]为32位比特字,包含4个字节,他们的生成算法下面在下面介绍。轮密钥加过程可以看成是字逐位异或的结果,也可以看成字节级别或者位级别的操作。也就是说,可以看成S0 S1 S2 S3 组成的32位字与W[4i]的异或运算。
    roundadd
    轮密钥加的逆运算同正向的轮密钥加运算完全一致,这是因为异或的逆操作是其自身。轮密钥加非常简单,但却能够影响S数组中的每一位。

    密钥扩展

    AES首先将初始密钥输入到一个44的状态矩阵中,如下图所示。
    keyextends
    这个4
    4矩阵的每一列的4个字节组成一个字,矩阵4列的4个字依次命名为W[0]、W[1]、W[2]和W[3],它们构成一个以字为单位的数组W。例如,设密钥K为"abcdefghijklmnop",则K0 = ‘a’,K1 = ‘b’, K2 = ‘c’,K3 = ‘d’,W[0] = “abcd”。
    接着,对W数组扩充40个新列,构成总共44列的扩展密钥数组。新列以如下的递归方式产生:
    1.如果i不是4的倍数,那么第i列由如下等式确定:
    W[i]=W[i-4]⨁W[i-1]
    2.如果i是4的倍数,那么第i列由如下等式确定:
    W[i]=W[i-4]⨁T(W[i-1])
    其中,T是一个有点复杂的函数。
    函数T由3部分组成:字循环、字节代换和轮常量异或,这3部分的作用分别如下。
    a.字循环:将1个字中的4个字节循环左移1个字节。即将输入字[b0, b1, b2, b3]变换成[b1,b2,b3,b0]。
    b.字节代换:对字循环的结果使用S盒进行字节代换。
    c.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Rcon[j]是一个字,其值见下表。

    j 1 2 3 4 5
    Rcon[j] 01 00 00 00 02 00 00 00 04 00 00 00 08 00 00 00 10 00 00 00
    j 6 7 8 9 10
    Rcon[j] 20 00 00 00 40 00 00 00 80 00 00 00 1B 00 00 00 36 00 00 00

    下面举个例子:
    设初始的128位密钥为:
    3C A1 0B 21 57 F0 19 16 90 2E 13 80 AC C1 07 BD
    那么4个初始值为:
    W[0] = 3C A1 0B 21
    W[1] = 57 F0 19 16
    W[2] = 90 2E 13 80
    W[3] = AC C1 07 BD
    下面求扩展的第1轮的子密钥(W[4],W[5],W[6],W[7])。
    由于4是4的倍数,所以:
    W[4] = W[0] ⨁ T(W[3])
    T(W[3])的计算步骤如下:

    1. 循环地将W[3]的元素移位:AC C1 07 BD变成C1 07 BD AC;
    2. 将 C1 07 BD AC 作为S盒的输入,输出为78 C5 7A 91;
    3. 将78 C5 7A 91与第一轮轮常量Rcon[1]进行异或运算,将得到79 C5 7A 91,因此,T(W[3])=79 C5 7A 91,故
      W[4] = 3C A1 0B 21 ⨁ 79 C5 7A 91 = 45 64 71 B0
      其余的3个子密钥段的计算如下:
      W[5] = W[1] ⨁ W[4] = 57 F0 19 16 ⨁ 45 64 71 B0 = 12 94 68 A6
      W[6] = W[2] ⨁ W[5] =90 2E 13 80 ⨁ 12 94 68 A6 = 82 BA 7B 26
      W[7] = W[3] ⨁ W[6] = AC C1 07 BD ⨁ 82 BA 7B 26 = 2E 7B 7C 9B
      所以,第一轮的密钥为 45 64 71 B0 12 94 68 A6 82 BA 7B 26 2E 7B 7C 9B。

    AES解密

    在文章开始的图中,有AES解密的流程图,可以对应那个流程图来进行解密。下面介绍的是另一种等价的解密模式,流程图如下图所示。这种等价的解密模式使得解密过程各个变换的使用顺序同加密过程的顺序一致,只是用逆变换取代原来的变换。
    deaes

    AES原理到这里就结束了,下面主要为AES的实现,对以上原理中的每一个小节进行实现讲解,讲解的时候会插入一些关键代码,完整的代码参见文章最后。文章最后提供两个完整的程序,一个能在linux下面编译运行,一个能在VC6.0下面编译通过。

    AES算法实现

    AES加密函数预览

    aes加密函数中,首先进行密钥扩展,然后把128位长度的字符串读进一个4*4的整数数组中,这个数组就是状态矩阵。例如,pArray[0][0] = S0,pArray[1][0] = S1, pArray[0][1] = S4。这个读取过程是通过 convertToIntArray()函数来实现的。每个轮操作的函数都对pArray进行修改,也就是对状态矩阵进行混淆。在执行完10轮加密后,会把pArray转换回字符串,再存入明文p的字符数组中,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。这个转换过程是通过convertArrayToStr()函数来实现的。

    /**
     * 参数 p: 明文的字符串数组。
     * 参数 plen: 明文的长度。
     * 参数 key: 密钥的字符串数组。
     */
    void aes(char *p, int plen, char *key){
    
        int keylen = strlen(key);
        if(plen == 0 || plen % 16 != 0) {
            printf("明文字符长度必须为16的倍数!\n");
            exit(0);
        }
    
        if(!checkKeyLen(keylen)) {
            printf("密钥字符长度错误!长度必须为16、24和32。当前长度为%d\n",keylen);
            exit(0);
        }
    
        extendKey(key);//扩展密钥
        int pArray[4][4];
    
        for(int k = 0; k < plen; k += 16) {
            convertToIntArray(p + k, pArray);
    
            addRoundKey(pArray, 0);//一开始的轮密钥加
    
            for(int i = 1; i < 10; i++){//前9轮
    
                subBytes(pArray);//字节代换
    
                shiftRows(pArray);//行移位
    
                mixColumns(pArray);//列混合
    
                addRoundKey(pArray, i);
    
            }
    
            //第10轮
            subBytes(pArray);//字节代换
    
            shiftRows(pArray);//行移位
    
            addRoundKey(pArray, 10);
    
            convertArrayToStr(pArray, p + k);
        }
    }
    
    

    1.密钥扩展的实现

    在开始加密前,必须先获得第一轮加密用到的密钥,故先实现密钥扩展
    下面是密钥扩展函数的实现,这个函数传入密钥key的字符串表示,然后从字符串中读取W[0]到W[3],函数getWordFromStr()用于实现此功能。读取后,就开始扩展密钥,当i是4的倍数的时候,就会调用T()函数来进行扩展,因为T函数的行为与加密的轮数有关,故要把加密的轮数 j 作为参数传进去。

    //密钥对应的扩展数组
    static int w[44];
    
    /**
     * 扩展密钥,结果是把w[44]中的每个元素初始化
     */
    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++;//下一轮
            }else {
                w[i] = w[i - 4] ^ w[i - 1]; 
            }
        }   
    
    }
    
    

    下面是T()函数的代码实现,T()函数中接收两个参数,参数num为上面传进的W[i - 1],round为加密的轮数。首先用一个numArray储存从32位的W[i-1]中取得4个字节。如果W[i-1]为0x12ABCDEF,那么numArray[0] = 0x12,numArray[1] = 0xAB。函数splitIntToArray()用于从32位整数中读取这四个字节,之所以这样做是因为整数数组比较容易操作。然后调用leftLoop4int()函数把numArray数组中的4个元素循环左移1位。然后执行字节代换,通过getNumFromSBox()函数来获取S盒中相应的值来替换numArray中的值。接着通过mergeArrayToInt()函数把字节代换后的numArray合并回32位的整数,在进行轮常量异或后返回。

    /**
     * 常量轮值表
     */
    static const int Rcon[10] = { 0x01000000, 0x02000000,
        0x04000000, 0x08000000,
        0x10000000, 0x20000000,
        0x40000000, 0x80000000,
        0x1b000000, 0x36000000 };
    /**
     * 密钥扩展中的T函数
     */
    static int T(int num, int round) {
        int numArray[4];
        splitIntToArray(num, numArray);
        leftLoop4int(numArray, 1);//字循环
    
        //字节代换
        for(int i = 0; i < 4; i++)
            numArray[i] = getNumFromSBox(numArray[i]);
    
        int result = mergeArrayToInt(numArray);
        return result ^ Rcon[round];
    }
    
    

    2. 字节代换的实现

    字节代换的代码很简单,就是把状态矩阵中的每个元素传进getNumFromSBox()函数中,然后取得前面8位中的高4位作为行值,低4位作为列值,然后返回S[row][col],这里的S是储存S盒的数组。

    
    /**
     * 根据索引,从S盒中获得元素
     */
    static int getNumFromSBox(int index) {
        int row = getLeft4Bit(index);
        int col = getRight4Bit(index);
        return S[row][col];
    }
    
    /**
     * 字节代换
     */
    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.行移位的实现

    行移位的时候,首先把状态矩阵中第2,3,4行复制出来,然后对它们行进左移相应的位数,然后再复制回去状态矩阵array中。

    
    /**
     * 将数组中的元素循环左移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];
        //复制状态矩阵的第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];
        }
        //循环左移相应的位数
        leftLoop4int(rowTwo, 1);
        leftLoop4int(rowThree, 2);
        leftLoop4int(rowFour, 3);
    
        //把左移后的行复制回状态矩阵中
        for(int i = 0; i < 4; i++) {
            array[1][i] = rowTwo[i];
            array[2][i] = rowThree[i];
            array[3][i] = rowFour[i];
        }
    }
    
    

    4.列混合的实现

    列混合函数中,先把状态矩阵初始状态复制一份到tempArray中,然后把tempArray与colM矩阵相乘,colM为存放要乘的常数矩阵的数组。其中的GFMul()函数定义了矩阵相乘时的乘法,加法则直接通过异或来实现。GFMul()通过调用乘以各个数对应的函数来实现乘法。例如,S1 * 2 刚通过调用GFMul2(S1)来实现。S1 * 3 刚通过GFMul3(S1)来实现。在这里,主要实现GFMul2()函数就行了,其它的都可以通过GFMul2()的组合来实现。举个例子吧,为计算下面这条等式,需要像下面这样调用函数
    ex

    s = GFMul3(0xC9) ^ 0x7A ^ 0x63 ^ GFMul2(0xB0)

    /**
     * 列混合要用到的矩阵
     */
    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上的二元运算
     */
    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)//11
            result = GFMul11(s);
        else if(n == 0xd)//13
            result = GFMul13(s);
        else if(n == 0xe)//14
            result = 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.轮密钥加的实现

    轮密钥加的实现很简单,就是根据传入的轮数来把状态矩阵与相应的W[i]异或。

    
    /**
     * 轮密钥加
     */
    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解密函数

    AES的解密函数和加密函数有点不同,可以参考上面的等价解密流程图来理解,解密函数中调用的是各轮操作的逆函数。逆函数在这里就不详细讲解了,可以参考最后的完整代码。

    /**
     * 参数 c: 密文的字符串数组。
     * 参数 clen: 密文的长度。
     * 参数 key: 密钥的字符串数组。
     */
    void deAes(char *c, int clen, char *key) {
    
        int keylen = strlen(key);
        if(clen == 0 || clen % 16 != 0) {
            printf("密文字符长度必须为16的倍数!现在的长度为%d\n",clen);
            exit(0);
        }
    
        if(!checkKeyLen(keylen)) {
            printf("密钥字符长度错误!长度必须为16、24和32。当前长度为%d\n",keylen);
            exit(0);
        }
    
        extendKey(key);//扩展密钥
        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);
    
        }
    }
    
    

    完整的程序代码

    Linux版本

    aes.h

    #ifndef AES_H
    #define AES_H
    
    /**
     * 参数 p: 明文的字符串数组。
     * 参数 plen: 明文的长度,长度必须为16的倍数。
     * 参数 key: 密钥的字符串数组。
     */
    void aes(char *p, int plen, char *key);
    
    /**
     * 参数 c: 密文的字符串数组。
     * 参数 clen: 密文的长度,长度必须为16的倍数。
     * 参数 key: 密钥的字符串数组。
     */
    void deAes(char *c, int clen, char *key);
    
    #endif
    
    

    aes.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 };
    
    /**
     * 获取整形数据的低8位的左4个位
     */
    static int getLeft4Bit(int num) {
    	int left = num & 0x000000f0;
    	return left >> 4;
    }
    
    /**
     * 获取整形数据的低8位的右4个位
     */
    static int getRight4Bit(int num) {
    	return num & 0x0000000f;
    }
    /**
     * 根据索引,从S盒中获得元素
     */
    static int getNumFromSBox(int index) {
    	int row = getLeft4Bit(index);
    	int col = getRight4Bit(index);
    	return S[row][col];
    }
    
    /**
     * 把一个字符转变成整型
     */
    static int getIntFromChar(char c) {
    	int result = (int) c;
    	return result & 0x000000ff;
    }
    
    /**
     * 把16个字符转变成4X4的数组,
     * 该矩阵中字节的排列顺序为从上到下,
     * 从左到右依次排列。
     */
    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的数组
     */
    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,
     * 以十六进制显示。
     */
    static void printASSCI(char *str, int len) {
    	for(int i = 0; i < len; i++)
    		printf("0x%x ", getIntFromChar(str[i]));
    	printf("\n");
    }
    
    /**
     * 把连续的4个字符合并成一个4字节的整型
     */
    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;
    }
    
    /**
     * 把一个4字节的数的第一、二、三、四个字节取出,
     * 入进一个4个元素的整型数组里面。
     */
    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;
    }
    
    /**
     * 将数组中的元素循环左移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;
    	}
    }
    
    /**
     * 把数组中的第一、二、三和四元素分别作为
     * 4字节整型的第一、二、三和四字节,合并成一个4字节整型
     */
    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;
    }
    
    /**
     * 常量轮值表
     */
    static const int Rcon[10] = { 0x01000000, 0x02000000,
    	0x04000000, 0x08000000,
    	0x10000000, 0x20000000,
    	0x40000000, 0x80000000,
    	0x1b000000, 0x36000000 };
    /**
     * 密钥扩展中的T函数
     */
    static int T(int num, int round) {
    	int numArray[4];
    	splitIntToArray(num, numArray);
    	leftLoop4int(numArray, 1);//字循环
    
    	//字节代换
    	for(int i = 0; i < 4; i++)
    		numArray[i] = getNumFromSBox(numArray[i]);
    
    	int result = mergeArrayToInt(numArray);
    	return result ^ Rcon[round];
    }
    
    //密钥对应的扩展数组
    static int w[44];
    
    /**
     * 扩展密钥,结果是把w[44]中的每个元素初始化
     */
    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++;//下一轮
    		}else {
    			w[i] = w[i - 4] ^ w[i - 1];
    		}
    	}
    
    }
    
    /**
     * 轮密钥加
     */
    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];
    		}
    	}
    }
    
    /**
     * 字节代换
     */
    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];
    	//复制状态矩阵的第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];
    	}
    	//循环左移相应的位数
    	leftLoop4int(rowTwo, 1);
    	leftLoop4int(rowThree, 2);
    	leftLoop4int(rowFour, 3);
    
    	//把左移后的行复制回状态矩阵中
    	for(int i = 0; i < 4; i++) {
    		array[1][i] = rowTwo[i];
    		array[2][i] = rowThree[i];
    		array[3][i] = rowFour[i];
    	}
    }
    
    /**
     * 列混合要用到的矩阵
     */
    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上的二元运算
     */
    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)//11
    		result = GFMul11(s);
    	else if(n == 0xd)//13
    		result = GFMul13(s);
    	else if(n == 0xe)//14
    		result = 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数组转回字符串
     */
    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];	
    }
    /**
     * 检查密钥长度
     */
    static int checkKeyLen(int len) {
    	if(len == 16)
    		return 1;
    	else
    		return 0;
    }
    
    /**
     * 参数 p: 明文的字符串数组。
     * 参数 plen: 明文的长度。
     * 参数 key: 密钥的字符串数组。
     */
    void aes(char *p, int plen, char *key){
    
    	int keylen = strlen(key);
    	if(plen == 0 || plen % 16 != 0) {
    		printf("明文字符长度必须为16的倍数!\n");
    		exit(0);
    	}
    
    	if(!checkKeyLen(keylen)) {
    		printf("密钥字符长度错误!长度必须为16、24和32。当前长度为%d\n",keylen);
    		exit(0);
    	}
    
    	extendKey(key);//扩展密钥
    	int pArray[4][4];
    
    	for(int k = 0; k < plen; k += 16) {	
    		convertToIntArray(p + k, pArray);
    
    		addRoundKey(pArray, 0);//一开始的轮密钥加
    
    		for(int i = 1; i < 10; i++){//前9轮
    
    			subBytes(pArray);//字节代换
    
    			shiftRows(pArray);//行移位
    
    			mixColumns(pArray);//列混合
    
    			addRoundKey(pArray, i);
    
    		}
    
    		//第10轮
    		subBytes(pArray);//字节代换
    
    		shiftRows(pArray);//行移位
    
    		addRoundKey(pArray, 10);
    
    		convertArrayToStr(pArray, p + k);
    	}
    }
    /**
     * 根据索引从逆S盒中获取值
     */
    static int getNumFromS1Box(int index) {
    	int row = getLeft4Bit(index);
    	int col = getRight4Bit(index);
    	return S2[row][col];
    }
    /**
     * 逆字节变换
     */
    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个元素的数组循环右移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];
    	}
    }
    /**
     * 逆列混合用到的矩阵
     */
    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]);
    		}
    }
    /**
     * 把两个4X4数组进行异或
     */
    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];
    }
    /**
     * 从4个32位的密钥字中获得4X4数组,
     * 用于进行逆列混合
     */
    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];
    	}
    
    }
    
    /**
     * 参数 c: 密文的字符串数组。
     * 参数 clen: 密文的长度。
     * 参数 key: 密钥的字符串数组。
     */
    void deAes(char *c, int clen, char *key) {
    
    	int keylen = strlen(key);
    	if(clen == 0 || clen % 16 != 0) {
    		printf("密文字符长度必须为16的倍数!现在的长度为%d\n",clen);
    		exit(0);
    	}
    
    	if(!checkKeyLen(keylen)) {
    		printf("密钥字符长度错误!长度必须为16、24和32。当前长度为%d\n",keylen);
    		exit(0);
    	}
    
    	extendKey(key);//扩展密钥
    	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 1024
    
    void 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");
    }
    
    /**
     * 从标准输入中读取用户输入的字符串
     */
    void readPlainText(char *str, int *len) {
    	int plen;
    	while(1) {
    		getString(str, MAXLEN);
    		plen = strlen(str);
    		if(plen != 0 && plen % 16 == 0) {
    			printf("你输入的明文为:%s\n", str);
    			break;
    		}else{
    			printf("明文字符长度必须为16的倍数,现在的长度为%d\n", plen);
    		}
    	}
    	*len = plen;
    }
    /**
     * 把字符串写进文件
     */
    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("请输入你的明文,明文字符长度必须为16的倍数\n");
    	readPlainText(p,&plen);
    	printf("进行AES加密..................\n");
    
    	aes(p, plen, key);//AES加密
    
    	printf("加密完后的明文的ASCCI为:\n");
    	printASCCI(p, plen);
    	char fileName[64];
    	printf("请输入你想要写进的文件名,比如'test.txt':\n");
    	if(scanf("%s", fileName) == 1) {	
    		writeStrToFile(p, plen, fileName);
    		printf("已经将密文写进%s中了,可以在运行该程序的当前目录中找到它。\n", fileName);
    	}
    }
    /**
     * 从文件中读取字符串
     */
    int readStrFromFile(char *fileName, char *str) {
    	FILE *fp = fopen(fileName, "rb");
    	if(fp == NULL) {
    		printf("打开文件出错,请确认文件存在当前目录下!\n");
    		exit(0);
    	}
    
    	int i;
    	for(i = 0; i < MAXLEN && (str[i] = getc(fp)) != EOF; i++);
    
    	if(i >= MAXLEN) {
    		printf("解密文件过大!\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("请输入要解密的文件名,该文件必须和本程序在同一个目录\n");
    	if(scanf("%s", fileName) == 1) {
    		int clen = readStrFromFile(fileName, c);
    		printf("开始解密.........\n");
    		deAes(c, clen, key);
    		printf("解密后的明文ASCII为:\n");
    		printASCCI(c, clen);
    		printf("明文为:%s\n", c);
    		writeStrToFile(c,clen,fileName);
    		printf("现在可以打开%s来查看解密后的密文了!\n",fileName);
    	}
    }
    
    void aesFile(char *key) {
    	char fileName[64];
    	char fileP[MAXLEN];
    
    	printf("请输入要加密的文件名,该文件必须和本程序在同一个目录\n");
    	if(scanf("%s", fileName) == 1) {
    		readStrFromFile(fileName, fileP);
    		int plen = strlen(fileP);
    		printf("开始加密.........\n");
    		printf("加密前文件中字符的ASCII为:\n");
    		printASCCI(fileP, plen);
    
    		aes(fileP, plen, key);//开始加密
    
    		printf("加密后的密文ASCII为:\n");
    		printASCCI(fileP, plen);
    		writeStrToFile(fileP,plen,fileName);
    		printf("已经将加密后的密文写进%s中了\n",fileName);
    	}
    }
    
    int main(int argc, char const *argv[]) {
    
    	char key[17];
    	printf("请输入16个字符的密钥:\n");
    	int klen;
    	while(1){
    		getString(key,17);
    		klen = strlen(key);
    		if(klen != 16){
    			printf("请输入16个字符的密钥,当前密钥的长度为%d\n",klen);
    		}else{
    			printf("你输入的密钥为:%s\n",key);
    			break;
    		}
    	}
    
    	printf("输入's'表示要加密输入的字符串,并将加密后的内容写入到文件\n");
    	printf("请输入要功能选项并按回车,输入'f'表示要加密文件\n");
    	printf("输入'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,并将字符串写进文件中
    		else if(c == 'p')
    			deAesFile(key);//把文件中的密文解密,并写回文件中
    		else if(c == 'f')//用AES加密文件
    			aesFile(key);
    	}
    	return 0;
    }
    

    通过下面的gcc命令来编译运行:

    gcc -o aes aes.c main.c
    

    VC6.0版本

    由于VC6.0的编译器比较坑,要先声明,后使用变量,故要对代码进行相应的修改。

    aes.h

    #ifndef MY_AES_H
    #define MY_AES_H
    
    /**
     * 参数 p: 明文的字符串数组。
     * 参数 plen: 明文的长度,长度必须为16的倍数。
     * 参数 key: 密钥的字符串数组。
     */
    void aes(char *p, int plen, char *key);
    
    /**
     * 参数 c: 密文的字符串数组。
     * 参数 clen: 密文的长度,长度必须为16的倍数。
     * 参数 key: 密钥的字符串数组。
     */
    void deAes(char *c, int clen, char *key);
    
    #endif
    

    aes.cpp

    #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 };
    
    /**
     * 获取整形数据的低8位的左4个位
     */
    static int getLeft4Bit(int num) {
    	int left = num & 0x000000f0;
    	return left >> 4;
    }
    
    /**
     * 获取整形数据的低8位的右4个位
     */
    static int getRight4Bit(int num) {
    	return num & 0x0000000f;
    }
    /**
     * 根据索引,从S盒中获得元素
     */
    static int getNumFromSBox(int index) {
    	int row = getLeft4Bit(index);
    	int col = getRight4Bit(index);
    	return S[row][col];
    }
    
    /**
     * 把一个字符转变成整型
     */
    static int getIntFromChar(char c) {
    	int result = (int) c;
    	return result & 0x000000ff;
    }
    
    /**
     * 把16个字符转变成4X4的数组,
     * 该矩阵中字节的排列顺序为从上到下,
     * 从左到右依次排列。
     */
    static void convertToIntArray(char *str, int pa[4][4]) {
    	int k = 0;
    	int i,j;
    	for(i = 0; i < 4; i++)
    		for(j = 0; j < 4; j++) {
    			pa[j][i] = getIntFromChar(str[k]);
    			k++;
    		}
    }
    
    /**
     * 打印4X4的数组
     */
    static void printArray(int a[4][4]) {
    	int i,j;
    	for(i = 0; i < 4; i++){
    		for(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,
     * 以十六进制显示。
     */
    static void printASSCI(char *str, int len) {
    	int i;
    	for(i = 0; i < len; i++)
    		printf("0x%x ", getIntFromChar(str[i]));
    	printf("\n");
    }
    
    /**
     * 把连续的4个字符合并成一个4字节的整型
     */
    static int getWordFromStr(char *str) {
    	int one, two, three, four;
    	one = getIntFromChar(str[0]);
    	one = one << 24;
    	two = getIntFromChar(str[1]);
    	two = two << 16;
    	three = getIntFromChar(str[2]);
    	three = three << 8;
    	four = getIntFromChar(str[3]);
    	return one | two | three | four;
    }
    
    /**
     * 把一个4字节的数的第一、二、三、四个字节取出,
     * 入进一个4个元素的整型数组里面。
     */
    static void splitIntToArray(int num, int array[4]) {
    	int one, two, three;
    	one = num >> 24;
    	array[0] = one & 0x000000ff;
    	two = num >> 16;
    	array[1] = two & 0x000000ff;
    	three = num >> 8;
    	array[2] = three & 0x000000ff;
    	array[3] = num & 0x000000ff;
    }
    
    /**
     * 将数组中的元素循环左移step位
     */
    static void leftLoop4int(int array[4], int step) {
    	int temp[4];
    	int i;
    	int index;
    	for(i = 0; i < 4; i++)
    		temp[i] = array[i];
    
    	index = step % 4 == 0 ? 0 : step % 4;
    	for(i = 0; i < 4; i++){
    		array[i] = temp[index];
    		index++;
    		index = index % 4;
    	}
    }
    
    /**
     * 把数组中的第一、二、三和四元素分别作为
     * 4字节整型的第一、二、三和四字节,合并成一个4字节整型
     */
    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;
    }
    
    /**
     * 常量轮值表
     */
    static const int Rcon[10] = { 0x01000000, 0x02000000,
    	0x04000000, 0x08000000,
    	0x10000000, 0x20000000,
    	0x40000000, 0x80000000,
    	0x1b000000, 0x36000000 };
    /**
     * 密钥扩展中的T函数
     */
    static int T(int num, int round) {
    	int numArray[4];
    	int i;
    	int result;
    	splitIntToArray(num, numArray);
    	leftLoop4int(numArray, 1);//字循环
    
    	//字节代换
    	for(i = 0; i < 4; i++)
    		numArray[i] = getNumFromSBox(numArray[i]);
    
    	result = mergeArrayToInt(numArray);
    	return result ^ Rcon[round];
    }
    
    //密钥对应的扩展数组
    static int w[44];
    /**
     * 打印W数组
     */
    static void printW() {
    	int i, j;
    	for(i = 0, j = 1; i < 44; i++,j++){
    		printf("w[%d] = 0x%x ", i, w[i]);
    		if(j % 4 == 0)
    			printf("\n");
    	}
    	printf("\n");
    }
    
    
    /**
     * 扩展密钥,结果是把w[44]中的每个元素初始化
     */
    static void extendKey(char *key) {
    	int i,j;
    	for(i = 0; i < 4; i++)
    		w[i] = getWordFromStr(key + i * 4);
    
    	for(i = 4, j = 0; i < 44; i++) {
    		if( i % 4 == 0) {
    			w[i] = w[i - 4] ^ T(w[i - 1], j);
    			j++;//下一轮
    		}else {
    			w[i] = w[i - 4] ^ w[i - 1];
    		}
    	}
    
    }
    
    /**
     * 轮密钥加
     */
    static void addRoundKey(int array[4][4], int round) {
    	int warray[4];
    	int i,j;
    	for(i = 0; i < 4; i++) {
    
    		splitIntToArray(w[ round * 4 + i], warray);
    
    		for(j = 0; j < 4; j++) {
    			array[j][i] = array[j][i] ^ warray[j];
    		}
    	}
    }
    
    /**
     * 字节代换
     */
    static void subBytes(int array[4][4]){
    	int i,j;
    	for(i = 0; i < 4; i++)
    		for(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];
    	int i;
    	for(i = 0; i < 4; i++) {
    		rowTwo[i] = array[1][i];
    		rowThree[i] = array[2][i];
    		rowFour[i] = array[3][i];
    	}
    
    	leftLoop4int(rowTwo, 1);
    	leftLoop4int(rowThree, 2);
    	leftLoop4int(rowFour, 3);
    
    	for(i = 0; i < 4; i++) {
    		array[1][i] = rowTwo[i];
    		array[2][i] = rowThree[i];
    		array[3][i] = rowFour[i];
    	}
    }
    
    /**
     * 列混合要用到的矩阵
     */
    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上的二元运算
     */
    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)//11
    		result = GFMul11(s);
    	else if(n == 0xd)//13
    		result = GFMul13(s);
    	else if(n == 0xe)//14
    		result = GFMul14(s);
    
    	return result;
    }
    /**
     * 列混合
     */
    static void mixColumns(int array[4][4]) {
    
    	int tempArray[4][4];
    	int i,j;
    	for(i = 0; i < 4; i++)
    		for(j = 0; j < 4; j++)
    			tempArray[i][j] = array[i][j];
    
    	for(i = 0; i < 4; i++)
    		for(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数组转回字符串
     */
    static void convertArrayToStr(int array[4][4], char *str) {
    	int i,j;
    	for(i = 0; i < 4; i++)
    		for(j = 0; j < 4; j++)
    			*str++ = (char)array[j][i];
    }
    /**
     * 检查密钥长度
     */
    static int checkKeyLen(int len) {
    	if(len == 16)
    		return 1;
    	else
    		return 0;
    }
    
    
    /**
     * 参数 p: 明文的字符串数组。
     * 参数 plen: 明文的长度。
     * 参数 key: 密钥的字符串数组。
     */
    void aes(char *p, int plen, char *key){
    
    	int keylen = strlen(key);
    	int pArray[4][4];
    	int k,i;
    
    	if(plen == 0 || plen % 16 != 0) {
    		printf("明文字符长度必须为16的倍数!\n");
    		exit(0);
    	}
    
    	if(!checkKeyLen(keylen)) {
    		printf("密钥字符长度错误!长度必须为16。当前长度为%d\n",keylen);
    		exit(0);
    	}
    
    	extendKey(key);//扩展密钥
    
    	for(k = 0; k < plen; k += 16) {
    		convertToIntArray(p + k, pArray);
    
    		addRoundKey(pArray, 0);//一开始的轮密钥加
    
    		for(i = 1; i < 10; i++){
    
    			subBytes(pArray);//字节代换
    
    			shiftRows(pArray);//行移位
    
    			mixColumns(pArray);//列混合
    
    			addRoundKey(pArray, i);
    
    		}
    
    		subBytes(pArray);//字节代换
    
    		shiftRows(pArray);//行移位
    
    		addRoundKey(pArray, 10);
    
    		convertArrayToStr(pArray, p + k);
    	}
    }
    /**
     * 根据索引从逆S盒中获取值
     */
    static int getNumFromS1Box(int index) {
    	int row = getLeft4Bit(index);
    	int col = getRight4Bit(index);
    	return S2[row][col];
    }
    /**
     * 逆字节变换
     */
    static void deSubBytes(int array[4][4]) {
    	int i,j;
    	for(i = 0; i < 4; i++)
    		for(j = 0; j < 4; j++)
    			array[i][j] = getNumFromS1Box(array[i][j]);
    }
    /**
     * 把4个元素的数组循环右移step位
     */
    static void rightLoop4int(int array[4], int step) {
    	int temp[4];
    	int i;
    	int index;
    	for(i = 0; i < 4; i++)
    		temp[i] = array[i];
    
    	index = step % 4 == 0 ? 0 : step % 4;
    	index = 3 - index;
    	for(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];
    	int i;
    	for(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(i = 0; i < 4; i++) {
    		array[1][i] = rowTwo[i];
    		array[2][i] = rowThree[i];
    		array[3][i] = rowFour[i];
    	}
    }
    /**
     * 逆列混合用到的矩阵
     */
    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];
    	int i,j;
    	for(i = 0; i < 4; i++)
    		for(j = 0; j < 4; j++)
    			tempArray[i][j] = array[i][j];
    
    	for(i = 0; i < 4; i++)
    		for(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]);
    		}
    }
    /**
     * 把两个4X4数组进行异或
     */
    static void addRoundTowArray(int aArray[4][4],int bArray[4][4]) {
    	int i,j;
    	for(i = 0; i < 4; i++)
    		for(j = 0; j < 4; j++)
    			aArray[i][j] = aArray[i][j] ^ bArray[i][j];
    }
    /**
     * 从4个32位的密钥字中获得4X4数组,
     * 用于进行逆列混合
     */
    static void getArrayFrom4W(int i, int array[4][4]) {
    	int index,j;
    	int colOne[4], colTwo[4], colThree[4], colFour[4];
    	index = i * 4;
    	splitIntToArray(w[index], colOne);
    	splitIntToArray(w[index + 1], colTwo);
    	splitIntToArray(w[index + 2], colThree);
    	splitIntToArray(w[index + 3], colFour);
    
    	for(j = 0; j < 4; j++) {
    		array[j][0] = colOne[j];
    		array[j][1] = colTwo[j];
    		array[j][2] = colThree[j];
    		array[j][3] = colFour[j];
    	}
    
    }
    
    /**
     * 参数 c: 密文的字符串数组。
     * 参数 clen: 密文的长度。
     * 参数 key: 密钥的字符串数组。
     */
    void deAes(char *c, int clen, char *key) {
    
    	int cArray[4][4];
    	int keylen,k;
    	keylen = strlen(key);
    	if(clen == 0 || clen % 16 != 0) {
    		printf("密文字符长度必须为16的倍数!现在的长度为%d\n",clen);
    		exit(0);
    	}
    
    	if(!checkKeyLen(keylen)) {
    		printf("密钥字符长度错误!长度必须为16、24和32。当前长度为%d\n",keylen);
    		exit(0);
    	}
    
    	extendKey(key);//扩展密钥
    
    	for(k = 0; k < clen; k += 16) {
    		int i;
    		int wArray[4][4];
    
    		convertToIntArray(c + k, cArray);
    
    		
    		
    		
    
    		addRoundKey(cArray, 10);
    
    		for(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);
    
    	}
    }
    

    有不少初学者可能在使用AES实现的VC版本时,会出现没main函数的问题。其实直接导入VC编译是不行的,这里给出的只是头文件 aes.h 和实现的 aes.cpp 文件,需要通过include来包含使用,假设main函数所在的文件 main.cpp,并且与 aes.h 、 aes.cpp 文件在同一目录下,则需要像下面这样使用:

      #include "aes.h"
      // 其它头文件
      
      int main(int argc, char const *argv[]) {
        // 加密, 其中plain是明文字符数组, len是长度, key是密钥
        aes(plain, len, key);
        //解密,其中ciphertext是密文字符数组, len是长度, key是密钥
        deAes(ciphertext, len, key);
       }
    

    很高兴这篇文章能给大家带来帮助,我现在主要做信息安全方面的工作。下面是我创建的公众号,会不定期分享一些信息安全方面的技术文章,欢迎关注~

    我的安全专家之路

    展开全文
  • AES加密算法

    2020-08-08 14:52:35
    AES加密算法 什么是AES加密算法? AES算法全称是Advanced Encryption Standard, 是DES算法的替代者,是当今最流行的对称加密算法之一 什么是对称加密算法? 对称加密:双方使用的同一个密钥,既可以加密又可以解密,...

    AES加密算法

    什么是AES加密算法?

    AES算法全称是Advanced Encryption Standard, 是DES算法的替代者,是当今最流行的对称加密算法之一

    什么是对称加密算法?

    对称加密:双方使用的同一个密钥,既可以加密又可以解密,这种加密方法称为对称加密,也称为单密钥加密。

    优点:速度快,对称性加密通常在消息发送方需要加密大量数据时使用,算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高。

    缺点:在数据传送前,发送方和接收方必须商定好秘钥,然后 使双方都能保存好秘钥。其次如果一方的秘钥被泄露,那么加密信息也就不安全了。另外,每对用户每次使用对称加密算法时,都需要使用其他人不知道的唯一秘 钥,这会使得收、发双方所拥有的钥匙数量巨大,密钥管理成为双方的负担。

    在对称加密算法中常用的算法有:DES、AES等。

    AES:密钥的长度可以为128、192和256位,也就是16个字节、24个字节和32个字节

    DES:密钥的长度64位,8个字节。

    什么是非对称加密算法?

    非对称加密:一对密钥由公钥和私钥组成(可以使用很多对密钥)。私钥解密公钥加密数据,公钥解密私钥加密数据(私钥公钥可以互相加密解密)。

    私钥只能由一方保管,不能外泄。公钥可以交给任何请求方。

    在非对称加密算法中常用的算法有:

    RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、Diffie-Hellman、ECC(椭圆曲线加密算法)。
    使用最广泛的是RSA算法,Elgamal是另一种常用的非对称加密算法。

    缺点:速度较慢

    优点:安全

    对称加密和MD5,SHA这样的哈希摘要算法有什么不同?

    1、对称加密是真正意义上的加密算法, 对称加密算法可逆,主要是保证秘密信息不被泄漏

    2、摘要算法是不可逆的,它的主要是对信息一致性和完整性的校验

    了解AES加密 密钥、填充、模式的基本概念
    1、密钥

    密钥是AES算法实现加密和解密的根本。对称加密算法之所以对称,是因为这类算法对明文的加密和解密需要使用同一个密钥。

    AES支持三种长度的密钥:128位,192位,256位(AES128,AES192,AES256,实际上就是指的AES算法对不同长度密钥的使用)

    从安全性上来看AES256安全性高,从性能上来看AES128性能最高,原因是他们加密处理轮数不同。

    2、填充

    AES分组特性
    在这里插入图片描述
    AES算法在对明文加密的时候,并不是把整个明文一股脑加密成一整段密文,而是把明文拆分成一个个独立的明文块,每一个铭文块长度128bit。

    这些明文块经过AES加密器的复杂处理,生成一个个独立的密文块,这些密文块拼接在一起,就是最终的AES加密结果。

    ** 如果明文长度不够的话,需要对铭文进行填充 (padding) **

    NoPadding: 不做任何填充,但是要求明文必须是16字节的整数倍。
    PKCS5Padding(默认): 如果明文块少于16个字节(128bit),在明文块末尾补足相应数量的字符,且每个字节的值等于缺少的字符数。 比如明文:{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节,则补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,6,6,6,6,6,6 }
    ISO10126Padding:如果明文块少于16个字节(128bit),在明文块末尾补足相应数量的字节,最后一个字符值等于缺少的字符数,其他字符填充随机数。比如明文:{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e},缺少6个字节,则可能补全为{1,2,3,4,5,a,b,c,d,e,5,c,3,G,$,6}
    注意⚠️: 加解密填充方式要一致
    
    3、模式

    AES的工作模式,体现在把明文块加密成密文块的处理过程中。AES加密算法提供了五种不同的工作模式:CBC、ECB、CTR、CFB、OFB

    CBC模式: 电码本模式 Electronic Codebook Book

    ECB模式(默认): 密码分组链接模式 Cipher Block Chaining

    CTR模式: 计算器模式 Counter

    CFB模式: 密码反馈模式 Cipher FeedBack

    OFB模式: 输出反馈模式 Output FeedBack

    python例子

    def AES_encrypt(text, key, iv):
        pad = 16 - len(text) % 16
        text = text + pad * chr(pad)
        text = text.encode("utf-8")
        encryptor = AES.new(key.encode('utf-8'), AES.MODE_CBC, iv)
        encrypt_text = encryptor.encrypt(text)
        encrypt_text = base64.b64encode(encrypt_text)
        return encrypt_text.decode('utf-8')
    







    坐得住板凳,耐得住寂寞,守得住初心!

    展开全文
  • AES 加密算法

    千次阅读 2018-08-06 23:35:05
    AES 加密算法是通过征召各类加密算法,最终确定为比利时密码学家 Joan Daemen 和 Vincent Rijmen ... AES加密过程:把明文进行分组处理,每组长度为128bits,即16字节。 1. 逐个的对这16字节数据进行 SubBytes ...

           AES 加密算法是通过征召各类加密算法,最终确定为比利时密码学家 Joan Daemen 和 Vincent Rijmen

    设计的分组密码算法 Rijndael 。标准AES算法的分组长度有 128bits,192bits,256bits。

         AES加密过程:把明文进行分组处理,每组长度为128bits,即16字节。

    1. 逐个的对这16字节数据进行 SubBytes 处理。SubBytes 其实就是利用输入的数据作为索引,

    通过查表替换原来的数据。

    2.进行 ShiftRow 处理。将刚刚处理的数据按字节进行打乱处理。

    3.进行 MixColumns 处理。即对一个4字节的值进行比特运算,将其变为另一个4字节值。

    4.最后 AddRoundKey 处理。

     

     

    AES 解密过程是加密过程的逆过程:

     

     

    分组密码: 每次处理特定长度的数据块的一类加密算法。分组长度就是一个分组的比特数。

    流密码:  对数据流进行连续处理的一类加密算法。一般以1bit,8bit,32bit进行加解密。

    --------------------------------------------------------------------------------------------

    分组密码的主要5种模式:

    ECB(Electronic CodeBook mode) 电子密码模式

    CBC(Cipher Block Chaining mode)密码分组链式模式

    CFB(Cipher FeedBack mode)密文反馈模式

    OFB(Output FeedBack mode)输出反馈模式

    CTR(CounTeR mode)计算器模式

    ECB模式图解:

    在使用ECB模式进行加密时,有一个明显特点就是相同的明文经过加密会得到相同的密文。

    就像是参照某个表一样,缺点就是相同的明文经加密得到相同的密文,很容易使用暴力破解,

    对密文进行猜解。实际应用不推荐这种模式。

     

    CBC模式图解:

    用初始化向量先对明文进行异或操作,然后在进行加密,并把加密得到的密文,与下一组

    明文进行异或操作,然后再进行下一次的加密。 因为除了第一次,后面每组明文异或的数据,

    都来自密文,所以把这种模式称为 Cipher Block Chaining 模式- 密码分组链式模式。

    其中,初始化向量(Initialization vector)需要在加密前先进行初始化,切每次加密时要使用

    不同的 初始化向量 。

    CFB模式图解:

    在CFB模式中,明文分组和密文分组仅仅是简单的异或,并没有加密这一过程。

    由CFB加密算法得来的比特序列被称作 密钥流。密码算法相当于用来生成密钥流

    伪随机数生成器(PRNG),而 初始化向量 就相当于生成随机数的 种子

     对CFB模式生成的密文,可以实施 重放攻击(Replay Attack)。具体参见《图解密码4.5.5》

    OFB模式:

    密码算法的输出会反馈到密码算法的输入中。

    OFB和CFB有些类似,都是将生成的密钥,和明文异或,得到密文。

    CTR模式图解:

     CTR模式通过对计数器累加,然后加密生成密钥流,来异或加密明文。

     因为计数器是可以直接计算出来的,所以加密和解密过程可以进行

    并行计算

     

    个人总结:
    //*********************************************************************************
    AES 加密要点:

    1. 明文分组

    AES 加密算法处理的明文 分组长度 都是 16 字节。


    2. 密码处理

    可以根据 AES版本,选择密码的长度。

    16 字节(AES128), 24字节(AES192),32字节(AES256) 的3种密码长度

    3. 加密

    用输入的密码进行 密钥扩展 ,得到加密时需要的 RoundKey

    AES_init_ctx(struct AES_ctx* ctx, const uint8_t* key)
    {
      KeyExpansion(ctx->RoundKey, key);
    }


    4. 加密模式

    常用模式 CBC 和 CTR 模式。

    两种模式都需要一个 初始化向量(IV)。用 初始化向量(IV) 对 明文分组 先进行 亦或处理再进行加密

    这样就能保证即使有相同的 明文分组 得到的 密文分组 也是不同的

    AES_init_ctx_iv(struct AES_ctx* ctx, const uint8_t* key, const uint8_t* iv)

    {
      KeyExpansion(ctx->RoundKey, key);
      memcpy (ctx->Iv, iv, AES_BLOCKLEN);
    }

    AES 加密过程

    1. 先进行 密钥扩展 ,得到 RoundKey ,然后根据加密模式, 初始化 IV

    2. 用 初始化向量 亦或 明文

    XorWithIv(buf, Iv);

    然后 调用加密过程 加密刚刚亦或得到的数据,得到最终的 密文分组

    Cipher((state_t*)buf, ctx->RoundKey);
    //*********************************************************************************

    //*********************************************************************************
    AES 解密要点

    1. 密码

    用输入的密码进行 密钥扩展 ,得到解密时需要的 RoundKey

    AES_init_ctx(struct AES_ctx* ctx, const uint8_t* key)
    {
      KeyExpansion(ctx->RoundKey, key);
    }


    2. 解密

    根据不同的模式,要获得加密时用的 初始化向量 才能正确的进行解密


    AES 解密过程:

    1. 先进行 密钥扩展 ,得到 RoundKey ,然后根据加密模式, 初始化 IV

    2. 调用解密过程用 RoundKey 解密 密文分组,得到的结果与 IV 亦或得到明文

    InvCipher((state_t*)buf, ctx->RoundKey);    //用 RoundKey 解密密文分组
        
    XorWithIv(buf, ctx->Iv);            //初始化向量 亦或 解密得到的 明文分组 ,得到真正的明文

    //*********************************************************************************

     

    C 语言实现AES :

    定义Ctx 结构体存储 加密过程用到的RoundKey 和 IV 。

    struct AES_ctx
    {
      uint8_t RoundKey[AES_keyExpSize];
    #if (defined(CBC) && (CBC == 1)) || (defined(CTR) && (CTR == 1))
      uint8_t Iv[AES_BLOCKLEN];
    #endif
    };

    以下给出AES 加密算法用到的一些函数的定义:

    KeyExpansion 函数扩展输入的密码(密钥)。如果输入的密码长度太短,则需要你自己实现一个

    密钥对齐函数,把密钥对齐到 128bits,192bits或者256bits。

    // This function produces Nb(Nr+1) round keys. The round keys are used in each round to decrypt the states. 
    static void KeyExpansion(uint8_t* RoundKey, const uint8_t* Key)
    {
      unsigned i, j, k;
      uint8_t tempa[4]; // Used for the column/row operations
      
      // The first round key is the key itself.
      for (i = 0; i < Nk; ++i)
      {
        RoundKey[(i * 4) + 0] = Key[(i * 4) + 0];
        RoundKey[(i * 4) + 1] = Key[(i * 4) + 1];
        RoundKey[(i * 4) + 2] = Key[(i * 4) + 2];
        RoundKey[(i * 4) + 3] = Key[(i * 4) + 3];
      }
    
      // All other round keys are found from the previous round keys.
      for (i = Nk; i < Nb * (Nr + 1); ++i)
      {
        {
          k = (i - 1) * 4;
          tempa[0]=RoundKey[k + 0];
          tempa[1]=RoundKey[k + 1];
          tempa[2]=RoundKey[k + 2];
          tempa[3]=RoundKey[k + 3];
    
        }
    
        if (i % Nk == 0)
        {
          // This function shifts the 4 bytes in a word to the left once.
          // [a0,a1,a2,a3] becomes [a1,a2,a3,a0]
    
          // Function RotWord()
          {
            k = tempa[0];
            tempa[0] = tempa[1];
            tempa[1] = tempa[2];
            tempa[2] = tempa[3];
            tempa[3] = k;
          }
    
          // SubWord() is a function that takes a four-byte input word and 
          // applies the S-box to each of the four bytes to produce an output word.
    
          // Function Subword()
          {
            tempa[0] = getSBoxValue(tempa[0]);
            tempa[1] = getSBoxValue(tempa[1]);
            tempa[2] = getSBoxValue(tempa[2]);
            tempa[3] = getSBoxValue(tempa[3]);
          }
    
          tempa[0] = tempa[0] ^ Rcon[i/Nk];
        }
    #if defined(AES256) && (AES256 == 1)
        if (i % Nk == 4)
        {
          // Function Subword()
          {
            tempa[0] = getSBoxValue(tempa[0]);
            tempa[1] = getSBoxValue(tempa[1]);
            tempa[2] = getSBoxValue(tempa[2]);
            tempa[3] = getSBoxValue(tempa[3]);
          }
        }
    #endif
        j = i * 4; k=(i - Nk) * 4;
        RoundKey[j + 0] = RoundKey[k + 0] ^ tempa[0];
        RoundKey[j + 1] = RoundKey[k + 1] ^ tempa[1];
        RoundKey[j + 2] = RoundKey[k + 2] ^ tempa[2];
        RoundKey[j + 3] = RoundKey[k + 3] ^ tempa[3];
      }// End of For
    }

     AES_init_ctx_iv 函数调用 KeyExpansion 函数扩展密钥,并把 IV 拷贝到 Ctx 中。

    //如果定义了 CBC模式 或者 CTR模式,则需要 初始化向量 
    #if (defined(CBC) && (CBC == 1)) || (defined(CTR) && (CTR == 1))
    void AES_init_ctx_iv(struct AES_ctx* ctx, const uint8_t* key, const uint8_t* iv)
    {
      KeyExpansion(ctx->RoundKey, key);
      memcpy (ctx->Iv, iv, AES_BLOCKLEN);
    }

     AES_CBC_encrypt_buffer 是CBC加密模式下的加密主函数。

    第一个参数是前面 调用 AES_init_ctx_iv  函数初始化好的 Ctx 指针。

    第二个参数是要加密的明文地址。

    第三个参数是明文的长度。

    //CBC 加密模式函数
    void AES_CBC_encrypt_buffer(struct AES_ctx *ctx,uint8_t* buf, uint32_t length)
    {
      uintptr_t i;
      uint8_t *Iv = ctx->Iv;
      for (i = 0; i < length; i += AES_BLOCKLEN)
      {
        XorWithIv(buf, Iv);						//明文分组 与 初始化向量 亦或
        Cipher((state_t*)buf, ctx->RoundKey);	//加密 亦或后的 明文分组
        Iv = buf;								//下一个 初始化向量 是上一个加密得到的 密文分组
        buf += AES_BLOCKLEN;					//移动明文指针指向下一个 明文分组
        //printf("Step %d - %d", i/16, i);
      }
      /* store Iv in ctx for next call */		//最后一个 IV备份下,不是很理解, 不应该用最开始的 IV来 初始化解密第一个密文分组吗?	
      memcpy(ctx->Iv, Iv, AES_BLOCKLEN);		//应该是用来加密最后一个 明文分组,即 不能对其到 明文 分组长度 的最后一个 明文分组
    }

    下面列出 AES_CBC_encrypt_buffer 函数需要的子函数代码:

    XorWithIv 函数用 IV 对输入的明文分组进行异或操作。这样就保证了即使有相同的明文分组,

    加密得到的密文分组数据也是不同的。

    static void XorWithIv(uint8_t* buf, uint8_t* Iv)
    {
      uint8_t i;
      for (i = 0; i < AES_BLOCKLEN; ++i) // The block in AES is always 128bit no matter the key size
      {
        buf[i] ^= Iv[i];
      }
    }

     Cipher 函数是进行主要的加密函数调用的包装函数(Wrapper)。

    第一个参数就是 明文分组

    第二个参数是 RoundKey

    // Cipher is the main function that encrypts the PlainText.
    static void Cipher(state_t* state, uint8_t* RoundKey)
    {
      uint8_t round = 0;
    
      // Add the First round key to the state before starting the rounds.
      AddRoundKey(0, state, RoundKey); 
      
      // There will be Nr rounds.
      // The first Nr-1 rounds are identical.
      // These Nr-1 rounds are executed in the loop below.
      for (round = 1; round < Nr; ++round)
      {
        SubBytes(state);
        ShiftRows(state);
        MixColumns(state);
        AddRoundKey(round, state, RoundKey);
      }
      
      // The last round is given below.
      // The MixColumns function is not here in the last round.
      SubBytes(state);
      ShiftRows(state);
      AddRoundKey(Nr, state, RoundKey);
    }

    下面给出 Cipher 函数需要的子函数的实现:

    AddRoundKey 函数根据 加密的轮次,对明文分组进行不同的异或操作。

    第一个参数是 轮次

    第二个参数是 明文分组

    第三个参数是 RoundKey

    // This function adds the round key to state.
    // The round key is added to the state by an XOR function.
    static void AddRoundKey(uint8_t round,state_t* state,uint8_t* RoundKey)
    {
      uint8_t i,j;
      for (i = 0; i < 4; ++i)
      {
        for (j = 0; j < 4; ++j)
        {
          (*state)[i][j] ^= RoundKey[(round * Nb * 4) + (i * Nb) + j];
        }
      }
    }

     SubBytes 函数用输入的明文分组 的值作为索引,从一个 Substitute Box 替换盒子(数组)中取值,来替换原来的明文。

    参数为 明文分组

    // The SubBytes Function Substitutes the values in the
    // state matrix with values in an S-box.
    static void SubBytes(state_t* state)
    {
      uint8_t i, j;
      for (i = 0; i < 4; ++i)
      {
        for (j = 0; j < 4; ++j)
        {
          (*state)[j][i] = getSBoxValue((*state)[j][i]);
        }
      }
    }

    ShiftRows 函数对明文分组进行移位操作,每行移动的次数就是行号。第0行移动0次,第1行移动1次……

    参数为 明文分组

    // The ShiftRows() function shifts the rows in the state to the left.
    // Each row is shifted with different offset.
    // Offset = Row number. So the first row is not shifted.
    static void ShiftRows(state_t* state)
    {
      uint8_t temp;
    
      // Rotate first row 1 columns to left  
      temp           = (*state)[0][1];
      (*state)[0][1] = (*state)[1][1];
      (*state)[1][1] = (*state)[2][1];
      (*state)[2][1] = (*state)[3][1];
      (*state)[3][1] = temp;
    
      // Rotate second row 2 columns to left  
      temp           = (*state)[0][2];
      (*state)[0][2] = (*state)[2][2];
      (*state)[2][2] = temp;
    
      temp           = (*state)[1][2];
      (*state)[1][2] = (*state)[3][2];
      (*state)[3][2] = temp;
    
      // Rotate third row 3 columns to left
      temp           = (*state)[0][3];
      (*state)[0][3] = (*state)[3][3];
      (*state)[3][3] = (*state)[2][3];
      (*state)[2][3] = (*state)[1][3];
      (*state)[1][3] = temp;
    }

     MixColumns 函数进行列的混淆。

    参数为 明文分组

    // MixColumns function mixes the columns of the state matrix
    static void MixColumns(state_t* state)
    {
      uint8_t i;
      uint8_t Tmp, Tm, t;
      for (i = 0; i < 4; ++i)
      {  
        t   = (*state)[i][0];
        Tmp = (*state)[i][0] ^ (*state)[i][1] ^ (*state)[i][2] ^ (*state)[i][3] ;
        Tm  = (*state)[i][0] ^ (*state)[i][1] ; Tm = xtime(Tm);  (*state)[i][0] ^= Tm ^ Tmp ;
        Tm  = (*state)[i][1] ^ (*state)[i][2] ; Tm = xtime(Tm);  (*state)[i][1] ^= Tm ^ Tmp ;
        Tm  = (*state)[i][2] ^ (*state)[i][3] ; Tm = xtime(Tm);  (*state)[i][2] ^= Tm ^ Tmp ;
        Tm  = (*state)[i][3] ^ t ;              Tm = xtime(Tm);  (*state)[i][3] ^= Tm ^ Tmp ;
      }
    }

    xtime 函数不是很明白……

    static uint8_t xtime(uint8_t x)
    {
      return ((x<<1) ^ (((x>>7) & 1) * 0x1b));
    }

     

     

    参考:

    《图解密码技术-结城浩》

    代码出自 GitHub : tiny-AES-c-master (链接忘记存了……Sorry)

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  • AES 加密算法的原理详解

    万次阅读 多人点赞 2018-07-23 22:18:49
    高级加密标准(AES,Advanced Encryption Standard)为最常见的对称加密算法(微信小程序加密传输就是用这个加密算法的)。对称加密算法也就是加密和解密用相同的密钥,具体的加密流程如下图: 下面简单介绍下各个部分的....

    本教程摘选自 https://blog.csdn.net/qq_28205153/article/details/55798628 的原理部分。

    AES简介

    高级加密标准(AES,Advanced Encryption Standard)为最常见的对称加密算法(微信小程序加密传输就是用这个加密算法的)。对称加密算法也就是加密和解密用相同的密钥,具体的加密流程如下图: 
    加密流程图
    下面简单介绍下各个部分的作用与意义:

    • 明文P

      没有经过加密的数据。

    • 密钥K

      用来加密明文的密码,在对称加密算法中,加密与解密的密钥是相同的。密钥为接收方与发送方协商产生,但不可以直接在网络上传输,否则会导致密钥泄漏,通常是通过非对称加密算法加密密钥,然后再通过网络传输给对方,或者直接面对面商量密钥。密钥是绝对不可以泄漏的,否则会被攻击者还原密文,窃取机密数据。

    • AES加密函数

      设AES加密函数为E,则 C = E(K, P),其中P为明文,K为密钥,C为密文。也就是说,把明文P和密钥K作为加密函数的参数输入,则加密函数E会输出密文C。

    • 密文C

      经加密函数处理后的数据

    • AES解密函数

      设AES解密函数为D,则 P = D(K, C),其中C为密文,K为密钥,P为明文。也就是说,把密文C和密钥K作为解密函数的参数输入,则解密函数会输出明文P。

    在这里简单介绍下对称加密算法与非对称加密算法的区别。

    • 对称加密算法

      加密和解密用到的密钥是相同的,这种加密方式加密速度非常快,适合经常发送数据的场合。缺点是密钥的传输比较麻烦。

    • 非对称加密算法

      加密和解密用的密钥是不同的,这种加密方式是用数学上的难解问题构造的,通常加密解密的速度比较慢,适合偶尔发送数据的场合。优点是密钥传输方便。常见的非对称加密算法为RSA、ECC和EIGamal。

    实际中,一般是通过RSA加密AES的密钥,传输到接收方,接收方解密得到AES密钥,然后发送方和接收方用AES密钥来通信。

    本文下面AES原理的介绍参考自《现代密码学教程》,AES的实现在介绍完原理后开始。

    AES的基本结构

    AES为分组密码,分组密码也就是把明文分成一组一组的,每组长度相等,每次加密一组数据,直到加密完整个明文。在AES标准规范中,分组长度只能是128位,也就是说,每个分组为16个字节(每个字节8位)。密钥的长度可以使用128位、192位或256位。密钥的长度不同,推荐加密轮数也不同,如下表所示:

    AES 密钥长度(32位比特字) 分组长度(32位比特字) 加密轮数
    AES-128 4 4 10
    AES-192 6 4 12
    AES-256 8 4 14

    轮数在下面介绍,这里实现的是AES-128,也就是密钥的长度为128位,加密轮数为10轮。 
    上面说到,AES的加密公式为C = E(K,P),在加密函数E中,会执行一个轮函数,并且执行10次这个轮函数,这个轮函数的前9次执行的操作是一样的,只有第10次有所不同。也就是说,一个明文分组会被加密10轮。AES的核心就是实现一轮中的所有操作。

    AES的处理单位是字节,128位的输入明文分组P和输入密钥K都被分成16个字节,分别记为P = P0 P1 … P15 和 K = K0 K1 … K15。如,明文分组为P = abcdefghijklmnop,其中的字符a对应P0,p对应P15。一般地,明文分组用字节为单位的正方形矩阵描述,称为状态矩阵。在算法的每一轮中,状态矩阵的内容不断发生变化,最后的结果作为密文输出。该矩阵中字节的排列顺序为从上到下、从左至右依次排列,如下图所示: 
    state

    现在假设明文分组P为”abcdefghijklmnop”,则对应上面生成的状态矩阵图如下: 
    state2
    上图中,0x61为字符a的十六进制表示。可以看到,明文经过AES加密后,已经面目全非。

    类似地,128位密钥也是用字节为单位的矩阵表示,矩阵的每一列被称为1个32位比特字。通过密钥编排函数该密钥矩阵被扩展成一个44个字组成的序列W[0],W[1], … ,W[43],该序列的前4个元素W[0],W[1],W[2],W[3]是原始密钥,用于加密运算中的初始密钥加(下面介绍);后面40个字分为10组,每组4个字(128比特)分别用于10轮加密运算中的轮密钥加,如下图所示: 
    keystate
    上图中,设K = “abcdefghijklmnop”,则K0 = a, K15 = p, W[0] = K0 K1 K2 K3 = “abcd”。

    AES的整体结构如下图所示,其中的W[0,3]是指W[0]、W[1]、W[2]和W[3]串联组成的128位密钥。加密的第1轮到第9轮的轮函数一样,包括4个操作:字节代换、行位移、列混合和轮密钥加。最后一轮迭代不执行列混合。另外,在第一轮迭代之前,先将明文和原始密钥进行一次异或加密操作。 
    aes_struct
    上图也展示了AES解密过程,解密过程仍为10轮,每一轮的操作是加密操作的逆操作。由于AES的4个轮操作都是可逆的,因此,解密操作的一轮就是顺序执行逆行移位、逆字节代换、轮密钥加和逆列混合。同加密操作类似,最后一轮不执行逆列混合,在第1轮解密之前,要执行1次密钥加操作。

    下面分别介绍AES中一轮的4个操作阶段,这4分操作阶段使输入位得到充分的混淆。

    一、字节代换

    1.字节代换操作

    AES的字节代换其实就是一个简单的查表操作。AES定义了一个S盒和一个逆S盒。 
    AES的S盒:

    行/列 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

    状态矩阵中的元素按照下面的方式映射为一个新的字节:把该字节的高4位作为行值,低4位作为列值,取出S盒或者逆S盒中对应的行的元素作为输出。例如,加密时,输出的字节S1为0x12,则查S盒的第0x01行和0x02列,得到值0xc9,然后替换S1原有的0x12为0xc9。状态矩阵经字节代换后的图如下: 
    (第二个字符0xAB查表后应该是转换成0x62的,感谢细心的朋友指出,有空再重新画图更正了) 
    byte

    2.字节代换逆操作

    逆字节代换也就是查逆S盒来变换,逆S盒如下:

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

    二、行移位

    1.行移位操作

    行移位是一个简单的左循环移位操作。当密钥长度为128比特时,状态矩阵的第0行左移0字节,第1行左移1字节,第2行左移2字节,第3行左移3字节,如下图所示: 
    shiftRows

    2.行移位的逆变换

    行移位的逆变换是将状态矩阵中的每一行执行相反的移位操作,例如AES-128中,状态矩阵的第0行右移0字节,第1行右移1字节,第2行右移2字节,第3行右移3字节。

    三、列混合

    1.列混合操作

    列混合变换是通过矩阵相乘来实现的,经行移位后的状态矩阵与固定的矩阵相乘,得到混淆后的状态矩阵,如下图的公式所示: 
    col

    状态矩阵中的第j列(0 ≤j≤3)的列混合可以表示为下图所示: 
    col2

    其中,矩阵元素的乘法和加法都是定义在基于GF(2^8)上的二元运算,并不是通常意义上的乘法和加法。这里涉及到一些信息安全上的数学知识,不过不懂这些知识也行。其实这种二元运算的加法等价于两个字节的异或,乘法则复杂一点。对于一个8位的二进制数来说,使用域上的乘法乘以(00000010)等价于左移1位(低位补0)后,再根据情况同(00011011)进行异或运算,设S1 = (a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0),刚0x02 * S1如下图所示: 
    col3 
    也就是说,如果a7为1,则进行异或运算,否则不进行。 
    类似地,乘以(00000100)可以拆分成两次乘以(00000010)的运算: 
    col4 
    乘以(0000 0011)可以拆分成先分别乘以(0000 0001)和(0000 0010),再将两个乘积异或: 
    col5
    因此,我们只需要实现乘以2的函数,其他数值的乘法都可以通过组合来实现。 
    下面举个具体的例子,输入的状态矩阵如下:

           
    C9 E5 FD 2B
    7A F2 78 6E
    63 9C 26 67
    B0 A7 82 E5

    下面,进行列混合运算: 
    以第一列的运算为例: 
    col7 
    其它列的计算就不列举了,列混合后生成的新状态矩阵如下:

           
    D4 E7 CD 66
    28 02 E5 BB
    BE C6 D6 BF
    22 0F DF A5

    2.列混合逆运算

    逆向列混合变换可由下图的矩阵乘法定义: 
    col6 
    可以验证,逆变换矩阵同正变换矩阵的乘积恰好为单位矩阵。

    四、轮密钥加

    轮密钥加是将128位轮密钥Ki同状态矩阵中的数据进行逐位异或操作,如下图所示。其中,密钥Ki中每个字W[4i],W[4i+1],W[4i+2],W[4i+3]为32位比特字,包含4个字节,他们的生成算法下面在下面介绍。轮密钥加过程可以看成是字逐位异或的结果,也可以看成字节级别或者位级别的操作。也就是说,可以看成S0 S1 S2 S3 组成的32位字与W[4i]的异或运算。 
    roundadd
    轮密钥加的逆运算同正向的轮密钥加运算完全一致,这是因为异或的逆操作是其自身。轮密钥加非常简单,但却能够影响S数组中的每一位。

    密钥扩展

    AES首先将初始密钥输入到一个4*4的状态矩阵中,如下图所示。 
    keyextends
    这个4*4矩阵的每一列的4个字节组成一个字,矩阵4列的4个字依次命名为W[0]、W[1]、W[2]和W[3],它们构成一个以字为单位的数组W。例如,设密钥K为”abcdefghijklmnop”,则K0 = ‘a’,K1 = ‘b’, K2 = ‘c’,K3 = ‘d’,W[0] = “abcd”。 
    接着,对W数组扩充40个新列,构成总共44列的扩展密钥数组。新列以如下的递归方式产生: 
    1.如果i不是4的倍数,那么第i列由如下等式确定: 
    W[i]=W[i-4]⨁W[i-1] 
    2.如果i是4的倍数,那么第i列由如下等式确定: 
    W[i]=W[i-4]⨁T(W[i-1]) 
    其中,T是一个有点复杂的函数。 
    函数T由3部分组成:字循环、字节代换和轮常量异或,这3部分的作用分别如下。 
    a.字循环:将1个字中的4个字节循环左移1个字节。即将输入字[b0, b1, b2, b3]变换成[b1,b2,b3,b0]。 
    b.字节代换:对字循环的结果使用S盒进行字节代换。 
    c.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Rcon[j]是一个字,其值见下表。

    j 1 2 3 4 5
    Rcon[j] 01 00 00 00 02 00 00 00 04 00 00 00 08 00 00 00 10 00 00 00
    j 6 7 8 9 10
    Rcon[j] 20 00 00 00 40 00 00 00 80 00 00 00 1B 00 00 00 36 00 00 00

    下面举个例子: 
    设初始的128位密钥为: 
    3C A1 0B 21 57 F0 19 16 90 2E 13 80 AC C1 07 BD 
    那么4个初始值为: 
    W[0] = 3C A1 0B 21 
    W[1] = 57 F0 19 16 
    W[2] = 90 2E 13 80 
    W[3] = AC C1 07 BD 
    下面求扩展的第1轮的子密钥(W[4],W[5],W[6],W[7])。 
    由于4是4的倍数,所以: 
    W[4] = W[0] ⨁ T(W[3]) 
    T(W[3])的计算步骤如下: 
    1. 循环地将W[3]的元素移位:AC C1 07 BD变成C1 07 BD AC; 
    2. 将 C1 07 BD AC 作为S盒的输入,输出为78 C5 7A 91; 
    3. 将78 C5 7A 91与第一轮轮常量Rcon[1]进行异或运算,将得到79 C5 7A 91,因此,T(W[3])=79 C5 7A 91,故 
    W[4] = 3C A1 0B 21 ⨁ 79 C5 7A 91 = 45 64 71 B0 
    其余的3个子密钥段的计算如下: 
    W[5] = W[1] ⨁ W[4] = 57 F0 19 16 ⨁ 45 64 71 B0 = 12 94 68 A6 
    W[6] = W[2] ⨁ W[5] =90 2E 13 80 ⨁ 12 94 68 A6 = 82 BA 7B 26 
    W[7] = W[3] ⨁ W[6] = AC C1 07 BD ⨁ 82 BA 7B 26 = 2E 7B 7C 9B 
    所以,第一轮的密钥为 45 64 71 B0 12 94 68 A6 82 BA 7B 26 2E 7B 7C 9B。

    AES解密

    在文章开始的图中,有AES解密的流程图,可以对应那个流程图来进行解密。下面介绍的是另一种等价的解密模式,流程图如下图所示。这种等价的解密模式使得解密过程各个变换的使用顺序同加密过程的顺序一致,只是用逆变换取代原来的变换。 
    deaes

    AES原理到这里就结束了。实际开发中都是直接使用第三方已经封装好的库,这时候就需要根据使用的编程语言直接加载第三方库,来实现。所以省去了原文的C的代码实现部分,愿意深度了解代码实现的请移步到文章开头标明的原文出处。

    个人博客里面也有如何用 Java、JavaScript(含两者的跨语言加密解密) 去实现的文章,感兴趣的可以在我的个人博客里面找一下。

    其他加密算法相关参考:

    RSA 加密算法原理简述:https://blog.csdn.net/gulang03/article/details/81176133

    Java 实现 AES 和 RSA 算法:https://blog.csdn.net/gulang03/article/details/81771341

    JS 与 JAVA 跨语言实现 RSA 和 AES 加密算法:https://blog.csdn.net/gulang03/article/details/82230408

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