AES算法加解密原理及安全性分析(DOC)
AES算法加解密原理及安全性分析
刘帅卿
一、AES算法简介
AES算法是高级加密标准算法的简称，其英文名称为Advanced Encryption Standard。该加密标准的出现是因为随着对称密码的发展,以前使用的DES（Data Encryption Standard数据加密标准）算法由于密钥长度较小(56位),已经不适应当今数据加密安全性的要求，因此后来由Joan Daeman和Vincent Rijmen提交的Rijndael算法被提议为AES的最终算法。
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。与公共密钥密码使用密钥对不同，对称密钥密码使用相同的密钥加密和解密数据。通过分组密码返回的加密数据的位数与输入数据相同。迭代加密使用一个循环结构，在该循环中重复置换(permutations)和替换(substitutions)输入数据。加之算法本身复杂的加密过程使得该算法成为数据加密领域的主流。
二、AES算法的基本概念
1、有限域（GF）
由于AES算法中的所有运算都是在有限域当中进行的，所以在理解和实现该算法之前先得打好有限域这一基石才行。通常的数学运算都是在实数域中进行，而AES算法则是在有限域中进行，我们可以将有限域看成是有确定边界范围的正整数集合，在该集合当中，任意两个元素之间的运算结果都仍然落在该集合当中，也即满足运算封闭性。
那么如何才能保证这样的“有限性”（也即封闭性）呢？
GF（2w）被称之为伽罗华域，是有限域的典型代表。随着w（=4,8,16,…）的取值不同所形成的有限域范围也不同。AES算法中引入了GF域当中对数学运算的基本定义：将两数的加减法定义为两者的异或运算；将两数的乘法定义为多
项式间的相乘并求余运算，其中被用于求余运算的除数被称为不可约多项式（或
者称为求余多项式），它是固定的一个多项式：m(x) =8431x x x x ++++（数值为
十六进制的11B ，这里是假定w=8时的情形）。对于某个有限域而言，可能存在不唯一的不可约多项式，选择合适的多项式是某种算法考虑的主要因素之一。
2、状态矩阵和密钥矩阵
状态矩阵是指将要被加密的若干数据所形成的矩阵，我们暂且用state_matrix 来表示；而密钥矩阵则是指密钥数据所形成的矩阵，我们暂且用cipher_matrix 来表示。随着输入数据个数的不同，这两个矩阵的维数可以为44,4648???或者；例如如果输入的被加密数据为24个字符（此处假定是以字符为数据单位进行加密，当然也可以是以一个整数为单位等进行加密），输入的密钥数据为16个字符（假设与上同），那么可以形成一个46?维的state_matrix 矩阵和一个44?维的cipher_matrix 矩阵。可见形成的矩阵的行数是固定的，都为4。因为矩阵的形成是以每4个数据为一列依次构成，所以随着数据的增加只会增加其列数而不会影响其行数。并且我们用Nb 表示被加密数据矩阵（state_matrix 矩阵）的列数，用Nk 表示密钥数据矩阵（cipher_matrix 矩阵）的列数。那么有了上述两个矩阵，我们就可以进行AES 的加密过程了。
3、扩展密钥
扩展密钥是从密钥矩阵变换而来，之所以称之为“扩展”是因为在AES 的加密过程中，要对数据进行Nr+1轮加密，每次加密的密钥都不一样，我们将着Nr+1轮加密过程中用到的所有的密钥的集合叫做扩展密钥。那么如何去确定这个轮数Nr 呢？Nr 的取值是根据Nb 和Nk 的值确定的，AES 算法中给出了它们之间如下的对照表：
例如：如果Nb=6，Nk=4那么我们的加密过程应该进行Nr+1=13次，那么也就有13个扩展密钥。由于这些密钥要和state_matirx矩阵做异或运算，所以每个扩展密钥必须转化为一个和state_matirx矩阵同维数的加密矩阵才可以进行每个元素一对一的运算。由Nb和Nr的值，我们可以计算出扩展密钥的整体“长度”。如下公式可以给出：
Nb*（Nr+1）；例如Nb=6，Nr=12则“长度”为78；
这78个数字每6个为一个扩展密钥（因为Nb=6，所以要这样分组）。那么这78个数字是怎么形成的呢？AES算法中将形成扩展密钥的过程定义为：KeyExpansion()。该过程以cipher_matrix矩阵的值，每一列的4个byte组成一个int数，那么对于Nk=4的cipher_matrix而言必然可以构成4个int数，KeyExpansion()过程（过程的具体实现参照相关文献）就是以这4个整型数为基础，通过它的扩展方式将这4个数字扩展成了78个数字。这78个数字，每6
维的扩展密钥矩阵），个组成一个密钥（再将int化为char型恰好构成一个46
总共进行13次加密过程。为了存储这78个数字，算法中开辟一个W[i]数组。显然该数组的维数为W[Nb*(Nr+1)]。
4、AES加密过程
1# 前面的Nr轮（0 ~ Nr-1）被称之为Round()过程：
Round()
{
ByteSub(); //字节变换过程，该过程参照S_box实现
ShiftRow(); //行交换过程，该过程参照既定的交换规则实现
MixColumn(); //列变换过程，该过程参照C(x)矩阵实现
AddRoundKey(); //扩展密钥加密过程，该过程参照扩展密钥实现
}
2# 最后一轮加密过程（第Nr轮）被称为FinalRound()过程：
FinalRound()
{
ByteSub();
ShiftRow();
AddRoundkey();
}
在上述过程中，ByteSub(), ShiftRow(), MixColumn()三个过程的变换是固定的模式，具体的实现可以参照相关文献。它们的调用次数分别为：Nr+1次，Nr+1次，Nr次。而AddRoundkey()过程显然是Nr+1次，它是与扩展密钥相关的。前Nr轮加密中用去了Nr个扩展密钥，第Nr轮加密中用去最后一个扩展密钥，从而实现Nr+1轮加密过程。至此AES算法结束。
三、AES算法的实现方案
AES加密算法主要分为三大块，即密钥扩展，数据加密和数据解密。
1、密钥扩展
（1）使用Rotword()函数对数组中的数字实现循环左移一位的运算，即将数组中左端第一个数字移至数组的末端，而原来在它之后的数字依次前移一位。要说明的是，由于数组中的4个数字已经合并为一个数字，因此在程序的实际执行过程中并不是做数组的循环左移运算，而是进行数字的循环移位运算，这样一来便大大简化了运算过程，对运算效率有一定程度的提高。
（2）使用SubWord()函数依据S置换表对4个数字进行置换，规则如下。例如，有一个数字为0x2a，则在表1?1中查找‘2’行‘a’列的数字，得到数字e5，则该数字即是数字0x2a 的置换数字。此函数的C语言实现相对简单，只是一个查表的问题，但过程比较繁琐细碎，编成时应仔细对待，避免出错。
2、数据加密
（1）使用SubByte()函数依据S置换表对状态矩阵State[4][4]中的数字进行置换，查表的方法在前文已经介绍，这里不再赘述。有一点需要注意的是，虽然SubByte()函数与SubWord()函数原理相同，但在程序中的运算过程却不尽相同。
SubByte()函数是提取状态矩阵State[4][4]中的每一个数组元素进行置换运算，而SubWord()则是提取一unsigned long 整型数字中的某8位数据进行置换运算。SubByte()函数的C语言实现与SubWord()的C语言实现雷同，这里也不再赘述。
（2）使用ShiftRow()函数对状态矩阵State[4][4] 中的各行数据进行循环移位运算。该函数所进行的循环移位规则如下。状态矩阵State[4][4] 中的第一行数据位置不变，第二行数据循环左移一位数字，第三行数据循环左移两位数字，第四行数据循环左移三位数字。在对ShiftRow()函数进行C语言编程时主要是要注意行数以及所对应的移位个数，保证运算的准确性。
3、数据解密
（1）使用InvSubByte()函数依据S置换表的逆表对状态矩阵State[4][4]中的数字进行置换，置换方法与SubByte()函数相同。该函数的C语言实现与SubByte()函数基本相同，在此不再赘述。
（2）使用InvShiftRow()函数对状态矩阵State[4][4] 中的各行数据进行循环移位运算。该函数所进行的循环移位规则如下。状态矩阵State[4][4] 中的第一行数据位置不变，第二行数据循环右移一位数字，第三行数据循环右移两位数字，第四行数据循环右移三位数字。
四、AES实现过程分析
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，其基本密码算法Rijndael使用的是置换-组合架构，而非Feistel架构。AES 是一个新的可以用于保护电子数据的加密算法。AES 使用了几种不同的技术来实现置换和替换。通过分组密码返回的加密数据的位数与输入数据相同。迭代加密使用一个循环结构，在该循环中重复置换（permutations ）和替换(substitutions）输入数据。
对AES算法按加密处理和密钥调度两个方面进行分析：
1、加密处理
加密处理过程：
加密时，各轮AES加密循环（除最后一轮外）均包含4个步骤：
（1）、SubBytes —透过一个非线性的替换函数，用查找表的方式把每个字节替换成对应的字节。
（2）、ShiftRows —将矩阵中的每个横列进行循环式移位。
（3）、MixColumns —为了充分混合矩阵中各个直行的操作。这个步骤使用线性转换来混合每行内的四个字节。
（4）、AddRoundKey —矩阵中的每一个字节都与该次循环的子密钥（round key）做XOR运算；每个子密钥由密钥生成方案产生。
最后一个加密循环中省略MixColumns步骤，而以另一个AddRoundKey取代。
SubBytes 步骤
在SubBytes步骤中，矩
阵中各字节被固定的8位查找
表中对应的特定字节所替
换,S; bij = S(aij).如图所示：
ShiftRows 步骤
在ShiftRows 步骤中,矩阵中每一列的各个
字节循环向左方位移。位移量则随着行数递增
而递增。在ShiftRows 步骤中,矩阵中每一列的
各个字节循环向左方位移。位移量则随着行数
递增而递增。
MixColumns 步驟
在MixColumns 步骤中，每个直行都在
modulo x4 + 1之下，和一个固定多项式c(x)
作乘法。
AddRoundKey 步骤
AddRoundKey步骤，子密钥将会与原矩阵
合并。在每次的加密循环中，都会由主密钥产
生一把子密钥（透过Rijndael密钥生成方案产
生），这把子密钥大小会跟原矩阵一样，以与原
矩阵中每个对应的字节作异或（⊕）加法。
类推继续，完成10轮循环：
2、AES密钥调度
密钥调度包括两个部分：密钥扩展和轮密钥选取。
密钥bit的总数＝分组长度×（轮数Round＋1）例如当分组长度为128bits 和轮数Round为10时，轮密钥长度为128×(10＋1)＝1408bits。
1）、将密码密钥扩展成一个扩展密钥。
类推，经过10轮计算，得到如下轮密钥调度表：
2）、从扩展密钥中取出轮密钥：第一个轮密钥由扩展密钥的第一个Nb个4字节字，第二个圈密钥由接下来的Nb个4字节字组成，以此类推。
五、AES的安全性分析
AES算法作为DES算法和MD5算法的替代产品，10轮循环到目前为止还没有被破解。一般多数人的意见是：它是目前可获得的最安全的加密算法。AES 与目前使用广泛的加密算法─DES算法的差別在于，如果一秒可以解DES，则仍需要花費1490000亿年才可破解AES，由此可知AES的安全性。AES 已被列为比任何现今其它加密算法更安全的一种算法。目前针对AES的破解主要可以从以下几个方面着手：
1、暴力破解。如果不针对所有可能的256位密钥使用强力搜索，任何已知的密码分析学攻击都无法对AES密码进行解密，就这一点来说，用AES加密
的数据是牢不可破的。如SONY的PSP和WINRAR采用AES128位数据加密,一台128颗POWER处理器的巨型计算器破解128BIT的AES需要225年。要破解AES加密过的数据，需要当今最强大的计算机计算1010年时间。如果密钥长度为256 位，还没有已知的攻击可以在一个可接受的时间内破解AES。
2、时间选择攻击。针对AES 密码最可能成功的攻击来自一个允许时间选择攻击的弱实现。攻击者用不同的密钥并精确地测量出加密例程所需的时间。如果加密例程被粗心编码，因此执行时间便依赖于密钥值，它就有可能推导出有关密钥的信息。在AES 中，这种事情最可能发生在MixColumns 例程中，因为有域乘。针对这种攻击的两个安全措施是加入虚指令，以便所以所有乘法都需要相同数量的指令，或者将域乘实现为一个查询表。
3、旁道攻击。针对AES唯一的成功攻击是旁道攻击。旁道攻击不攻击密码本身，而是攻击那些实作于不安全系统（会在不经意间泄漏资讯，如Cache 等）上的加密系统。
4、数学结构攻击：不像其他区块加密系统，AES具有相当井然有序的代数结构。虽然相关的代数攻击尚未出现，但有许多学者认为，把安全性建立于未经透彻研究过的结构上是有风险的。
5、能量攻击法：与软件加密相比,硬件加密具有运行速度更快,保密性更强的优点,所以硬件加密设备已在通信、金融和信息安全等领域中得到广泛的应用。但是硬件加密设备运行时必须消耗能量,整个能量消耗过程可以通过电流或电压的变化反映出来。这种能量消耗包含了设备当前正在处理的数据的信息,而这些数据又与加密密钥有关,所以攻击者可以通过测量并分析能量消耗数据破解密钥,突破硬件加密系统,这种攻击被称为能量分析攻击,它是一种强有力的密码分析新方法。如边频攻击：通过观测电路中的物理量如能量耗散、电磁辐射和执行时间的变化规律,攻击者能够分析系统中的加密数据或者干扰系统的加密行为,这即是边频攻击(Side-channel Attacks)。PA攻击是目前应用最为广泛的,成本较低的一种。
6、基于AES对称性的攻击方法：该思想利用了AES的对称性,并在此基础上把逆序Square攻击扩展到7轮,同时提出逆序碰撞攻击的概念,并以此对
7轮AES进行分析.结果表明该方法的效率是相当高的,其复杂度大约是2,需选择2组密文。但对7轮以后的攻击结果不明。
7、远程侵入：由于目前AES技术上是“安全的”，可以考虑从远程侵入想要攻击的对象，以获取相应的明码或密钥，或在其网络传输过程中进行窃获。如不能得到其数据，可考虑在传输过程中想办法破坏其数据，也可达到一定的目的，或许更实用。
六、小结
总之,AES密码是一个非对称密码体制，它的解密要比加密复杂和费时。解密优化算法没有增加存储空间的基础上,以列变化为基础进行处理，程序比原始的要小，而且节约了时间。解密优化方法速度最快，效率最高，但要增加系统的存储空间,因此它的程序也是最大的一个。AES高级数据加密算法不管是从安全性、效率，还是密钥的灵活性等方面都优于DES数据加密算法,在今后将逐步代替DES而被广泛应用。
参考文献：
1、 Joan Daemen, Vicent Rijmen. 高级加密标准（AES）算法——Rijndael的设计[M]. 谷大武, 徐胜波译. 北京: 清华大学出版社, 2003.
2 、杨义先.现代密码新理论.北京：科学出版社，2002
3 、谷大武,等.高级加密标准（AES）算法—Rijndael的设计.北京：清华大学出版社，2003
4 、(美) Behrouz A.Forouzan，马振晗贾军保译. 密码学与网络安全[M] . 北京：清华大学出版社，2009年
5、 (美) William Stallings.杨明胥光辉齐望东等译.密码编码学与网络安全:原理与实践[M] . 北京:电子工业出版社 2001年
6 、NIST. Advanced Encryption Standard (AES) .Federal Information Processing Standards Publication,2001
AES加密算法的实现及应用
AES加密算法的实现及应用 摘要:AES加密算法具有安全性高,运行速度快,对硬件配置要求低,算法属于对称算法等优点,非常适合硬件的实现。课题对于AES加密算法进行改进,提高程序运行效率进行了研究。研究主要包括AES加密算法的改进,C语言实现,以及完成对数据流的加密和解密过程,同时对AES加密算法的应用进行了简单介绍。 关键词:AESC语言加密 前言: AES加密算法作为DES加密算法的替代品,具有安全、高效以及在不同硬件和软件[6]运行环境下表现出的始终如一的良好性能,因此该算法具有较高的开发潜力和良好的实用价值。本研究主要包括AES加密算法的改进,C语言实现,以及完成对数据流的加密和解密过程,同时对AES加密算法的应用进行了简单介绍。 一、AES加密算法的改进及实现 (1)AES加密算法的流程图 在图1.1中,Round代表加密的轮数,即程序循环次数。State代表状态矩阵,一个存储原始数据的数组。RoundKey代
表经过扩展运算后的密钥数组。ByteSub()代表置换函数,对状态矩阵State中的数据进行置换。ShiftRow()代表移位函数,对状态矩阵State中的数据进行移位运算。MixColumn()代表列混合运算函数,对状态矩阵State中的数据进行列混合运算。AddRoundKey()代表异或运送函数,对数组State和数组RoundKey进行异或运算。由上图可以看出,最后一次轮变换比前几次轮变换少执行一次MixColumn()函数。 (2)AES解密算法的流程图 在图1.2中,Round代表加密的轮数,即程序循环次数。State代表状态矩阵,一个存储原始数据的数组。RoundKey代表经过扩展运算后的密钥数组。InvByteSub()代表置换函数,对状态矩阵State中的数据进行置换。InvShiftRow()代表移位函数,对状态矩阵State中的数据进行移位运算。InvMixColumn()代表列混合运算函数,对状态矩阵State中的数据进行列混合运算。由上图可以看出,最后一次轮变换比前几次轮变换少执行一次MixColumn()函数。 二、AES加密算法复杂度分析 下面对改进前的算法和改进后的算法进行复杂度分析[8]以及程序执行效率的分析。 设b为0x00―0xff中的任意常数,以0x09*b为例进行讨
AES算法加解密原理及安全性分析
AES算法加解密原理及安全性分析 刘帅卿 一、AES算法简介 AES算法是高级加密标准算法的简称，其英文名称为Advanced Encryption Standard。该加密标准的出现是因为随着对称密码的发展,以前使用的DES（Data Encryption Standard数据加密标准）算法由于密钥长度较小(56位),已经不适应当今数据加密安全性的要求，因此后来由Joan Daeman和Vincent Rijmen提交的Rijndael算法被提议为AES的最终算法。 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。与公共密钥密码使用密钥对不同，对称密钥密码使用相同的密钥加密和解密数据。通过分组密码返回的加密数据的位数与输入数据相同。迭代加密使用一个循环结构，在该循环中重复置换(permutations)和替换(substitutions)输入数据。加之算法本身复杂的加密过程使得该算法成为数据加密领域的主流。 二、AES算法的基本概念 1、有限域（GF） 由于AES算法中的所有运算都是在有限域当中进行的，所以在理解和实现该算法之前先得打好有限域这一基石才行。通常的数学运算都是在实数域中进行，而AES算法则是在有限域中进行，我们可以将有限域看成是有确定边界范围的正整数集合，在该集合当中，任意两个元素之间的运算结果都仍然落在该集合当中，也即满足运算封闭性。 那么如何才能保证这样的“有限性”（也即封闭性）呢？ GF（2w）被称之为伽罗华域，是有限域的典型代表。随着w（=4,8,16,…）的取值不同所形成的有限域范围也不同。AES算法中引入了GF域当中对数学运算的基本定义：将两数的加减法定义为两者的异或运算；将两数的乘法定义为多
AES加密解密与代码实现详解
先搞定AES算法，基本变换包括SubBytes（字节替代）、ShiftRows（行移位）、MixColumns（列混淆）、AddRoundKey(轮密钥加） 其算法一般描述为 明文及密钥的组织排列方式
ByteSubstitution（字节替代） 非线性的字节替代，单独处理每个字节： 求该字节在有限域GF(28)上的乘法逆，"0"被映射为自身，即对于α∈GF(28)，求β∈GF(28)， 使得α·β=β·α=1mod(x8+x4+x2+x+1)。 对上一步求得的乘法逆作仿射变换 y i=x i + x(i+4)mod8 + x(i+6)mod8 + x(i+7)mod8 + c i (其中c i是6310即011000112的第i位），用矩阵表示为 本来打算把求乘法逆和仿射变换算法敲上去，最后还是放弃了...直接打置换表
下面是逆置换表，解密时使用 这里遇到问题了，本来用纯c初始化数组很正常，封装成类以后发现不能初始化，不管是声明、构造函数都无法初始化，百歌谷度了一通后没有任何答案，无奈只能在构造函数中声明一个局部变量数组并初始化，然后用memcpy，（成员变量名为Sbox/InvSbox，局部变量名sBox/invsBox）
ShiftRows（行移位变换） 行移位变换完成基于行的循环位移操作，变换方法： 即行移位变换作用于行上，第0行不变，第1行循环左移1个字节，第2行循环左移2个字节，第3行循环左移3个字节。 MixColumns（列混淆变换）
逐列混合，方法： b(x) = (03·x3 + 01·x2 + 01·x + 02) · a(x) mod(x4 + 1)
AES加密算法原理(图文)
AES加密算法原理（图文） 随着对称密码的发展,DES数据加密标准算法由于密钥长度较小(56位),已经不适应当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求，因此1997年NIST公开征集新的数据加密标准,即AES[1]。经过三轮的筛选,比利时Joan Daeman和Vincent Rijmen提交的Rijndael算法被提议为AES的最终算法。此算法将成为美国新的数据加密标准而被广泛应用在各个领域中。尽管人们对AES还有不同的看法,但总体来说,AES作为新一代的数据加密标准汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点。AES设计有三个密钥长度:128,192,256位，相对而言，AES的128密钥比DES的56密钥强1021倍[2]。AES算法主要包括三个方面：轮变化、圈数和密钥扩展。 AES 是一个新的可以用于保护电子数据的加密算法。明确地说，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。与公共密钥密码使用密钥对不同，对称密钥密码使用相同的密钥加密和解密数据。通过分组密码返回的加密数据的位数与输入数据相同。迭代加密使用一个循环结构，在该循环中重复置换（permutations ）和替换(substitutions）输入数据。Figure 1 显示了AES 用192位密钥对一个16位字节数据块进行加密和解密的情形。
Figure 1 部分数据 AES算法概述 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。为了阐明这些技术，让我们用Figure 1 所示的数据讨论一个具体的AES 加密例子。下面是你要加密的128位值以及它们对应的索引数组： 00 11 22 33 44 55 66 77 88 99 aa bb cc dd ee ff0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 192位密钥的值是: 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 11 12 13 14 15 16 170 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
AES加密算法的实现及应用
现代经济信息 前言： AES加密算法作为DES加密算法的替代品，具有安全、高 效以及在不同硬件和软件[6]运行环境下表现出的始终如一的良好性 能，因此该算法具有较高的开发潜力和良好的实用价值。本研究主要 包括AES加密算法的改进，C语言实现，以及完成对数据流的加密和 解密过程，同时对AES加密算法的应用进行了简单介绍。 一、AES加密算法的改进及实现 （1）AES加密算法的流程图 在图1.1中，Round代表加密的轮数，即程序循环次数。State代 表状态矩阵，一个存储原始数 据的数组。RoundKey代表经 过扩展运算后的密钥数组。 ByteSub()代表置换函数，对 状态矩阵State中的数据进行 置换。ShiftRow()代表移位函 数，对状态矩阵State中的数据 进行移位运算。MixColumn() 代表列混合运算函数，对状态 矩阵State中的数据进行列混合 运算。AddRoundKey()代表异 或运送函数，对数组State和数 组RoundKey进行异或运算。由 上图可以看出，最后一次轮变 换比前几次轮变换少执行一次 MixColumn()函数。 （2）A E S解密算法的流 程图 在图1.2中，Round代表加 密的轮数，即程序循环次数。 State代表状态矩阵，一个存储 原始数据的数组。RoundKey 代表经过扩展运算后的密钥 数组。InvByteSub()代表置换 函数，对状态矩阵State中的数据进行置换。InvShiftRow()代表移位函 数，对状态矩阵State中的数据进行移位运算。InvMixColumn()代表列 混合运算函数，对状态矩阵State中的数据进行列混合运算。由上图可 以看出，最后一次轮变换比前几次轮变换少执行一次MixColumn()函 数。 二、AES加密算法复杂度分析 下面对改进前的算法和改进后的算法进行复杂度分析[8]以及程序 执行效率的分析。 设b为0x00—0xff中的任意常数，以0x09*b为例进行讨论。该算式 分解如下： 0x09*b=(0x08+1)*b =0x08*b+b =(0x06+0x02)*b+b =0x06*b+0x02*b+b =(0x04+0x02)*b+0x02*b+b =0x04*b+0x02*b+0x02*b+b =(0x02+0x02)*b+0x02*b+0x02*b+b =0x02*b+0x02*b+0x02*b+0x02*b +b 将上述算式进行C语言实现得到以下程序： （1）程序1 int i,t; t=b; t=t<<2; for(i=0;i<3;i++){ t=t^t; } t=t^b; 由此可见，该程序的 时间复杂度为O(n)。将上 述程序做一改进可得到如 下程序： （2）程序2 int i,t; t=b; t=t<<2; t=t^t; t=t^t; t=t^t; t=t^t; t=t^b; 由此可见，该程序的 时间复杂度为O(1)。 若通过表格法对公式进行编成，可以得到如下程序： （3）程序3 int t; t=Tab0e[0x0e][b]; 由此可见，该程序的时间复杂度为O(1)。 通过上述程序可以发现，程序2与程序3的时间复杂度相同。但这 只能说明两程序的时间效率相似，并不一定相同，具体判断还要看程 序的规模。 虽然程序之间的规模只有几行代码的差距，但如果将这些程序放 在循环体中执行，程序之间在时间上的执行效率就会表现出较大的差 距，循环次数越多，循环层数越多，效率差距就越明显。AES加密算 法本身是一种非常适用于硬件加密的算法，因此当该算法应用于硬件 编程时，就更要把算法的时间效率考虑在内，否则很可能由于算法执 行时间过长，导致尚未加密的数据被新加入的数据冲掉，造成数据的 遗失，如此一来也就失去了数据加密的意义。这也是为什么要对算法 的程序实现进行效率考察的主要原因。 AES加密算法的实现及应用 赵雪梅 盐城工学院，江苏 盐城 224003 图1.1 AES加密算法流程图图1.2 AES解密算法流程图
AES加密算法实验报告
实验报告 学号：姓名：专业：班级：第 10 周
static void SubBytes(unsigned char p[16]); static void inSubBytes(unsigned char p[16]); static void ShiftRows(unsigned char e[]); static void inShiftRows(unsigned char e[]); static void MatrixToByte(unsigned char e[]); static void inMatrixToByte(unsigned char e[]); static unsigned char FFmul(unsigned char a, unsigned char b); static void KeyAdding(unsigned char state[16], unsigned char k[][4]); static void KeyExpansion(unsigned char* key, unsigned char w[][4][4]); ~plaintext(); private: }; #include"" using namespace std; static unsigned char sBox[] = {};/定义加密S盒/ unsigned char insBox[256] ={};//定义解密S盒 plaintext::plaintext() { } void plaintext::createplaintext(unsigned char a[])//创建明文 { int i = 0; unsigned int p[16]; for (int j = 0; j<200; j++) { if (a[j] == 0) { break; } } for (; i<16; i++) { p[i] = a[i]; a[i] = a[i + 16];
JAVA实现AES加密算法代码
JAVA实现AES加密算法代码 近些年DES使用越来越少，原因就在于其使用56位密钥，比较容易被破解，近些年来逐渐被AES替代，AES已经变成目前对称加密中最流行算法之一；AES可以使用128、192、和256位密钥，并且用128位分组加密和解密数据。本文就简单介绍如何通过JAVA实现AES加密。 1. JAVA 实现闲话少许，掠过AES加密原理及算法，关于这些直接搜索专业吧，我们直接看JAVA的具体实现。 1.1 加密代码有详细解释，不多废话。/** * 加密 * * param content 需要加密的容* param password 加密密码* return */ public static byte[] encrypt(String content, String password) { try { KeyGenerator kgen = KeyGenerator.getInstance("AES"); kgen.init(128, new SecureRandom(password.getBytes())); SecretKey secretKey = kgen.generateKey(); byte[] enCodeFormat = secretKey.getEncoded(); SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(enCodeFormat, "AES"); Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");// 创建密码器byte[] byteContent = content.getBytes("utf-8");
AES加密算法
AES加密算法[转] 加密它：用新的高级加密标准（AES）保持你的数据安全 原著：James McCaffrey 翻译：小刀人 原文出处：MSDN Magazine November 2003 (Encrypt It) 本文的代码下载：msdnmag200311AES.exe (143KB) 本文假设你熟悉C# 和位（bit）操作。 摘要 AES（The Advanced Encryption Standard）是美国国家标准与技术研究所用于加密电子数据的规范。它被预期能成为人们公认的加密包括金融、电信和政府数字信息的方法。本文展示了AES的概貌并解析了它使用的算法。包括一个完整的C#实现和加密.NET数据的举例。在读完本文后你将能用AES加密、测试基于AES的软件并能在你的系统中使用AES加密。 -------------------------------------------------------------------------------- 美国国家标准与技术研究所(NIST)在2002年5月26日建立了新的高级数据加密标准(AES)规范。本文中我将提供一个用C#编写的的能运行的AES 实现，并详细解释到底什么是AES 以及编码是如何工作的。我将向您展示如何用AES 加密数据并扩展本文给出的代码来开发一个商业级质量的AES 类。我还将解释怎样把AES 结合到你的软件系统中去和为什么要这么做，以及如何测试基于AES 的软件。 注意本文提供的代码和基于本文的任何其它的实现都在联邦加密模块出口控制的 适用范围之内（详情请参看Commercial Encryption Export Controls ）。 AES 是一个新的可以用于保护电子数据的加密算法。明确地说，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。与公共密钥密码使用密钥对不同，对称密钥密码使用相同的密钥加密和解密数据。通过分组密码返回的加密数据的位数与输入数据相同。迭代加密使用一个循环结构，在该循环中重复置换（permutations ）和替换(substitutions）输入数据。Figure 1 显示了AES 用192位密钥对一个16位字节数据块进行加密和解密的情形。
AES加密算法实现流程
由于AES的数学原理在网上有很多，所以在这里就不再说明，主要是加密流程。 先说明一下AES的几个必备参数的初始化 typedef struct _AES{ int Nb; //明文或密文的行数 int Nr; //加密或解密时的轮数 int Nk; //密钥的行数 unsigned long *Word；//指向密钥库的指针 unsigned long *State; //指向每一轮加密或解后的结果 }AES; 这里统一为4列n行，可以用unsigned long数组表示。 Nb = 明文或密文长度/4 ;Nk = 密钥长度/4;加密轮数Nr = Nb < Nk ? Nk:Nb+6; 一.密钥库的生成过程 1.计算库的行数并分配内存 库行数= Nb*(Nr+1); 2.初始化密钥库 库的第一个密钥为原密钥---直接将密钥拷贝到密钥库中； 3.开始计算轮密钥 unsigned long temp; for (int c = Nk; c < Nb * (Nr+1); ++c) { //把上一轮的最后一行放入temp temp = w[c-1]; //判断是不是每一轮密钥的第一行 if (c % Nk == 0) { //左旋8位 temp = (temp<<8)|(temp>>24); //查Sbox表 SubWord((byte*)&temp); temp ^= Rcon[c/Nk]; } else if ( Nk > 6 && (c % Nk == 4) ) {
SubWord((byte*)&temp); } //w[c-Nk] 为上一轮密钥的第一行 w[c] = w[c-Nk] ^ temp; } 二.State生成 为了实现快速列混淆(这里应该是行混淆)，State需要多出三行作为缓冲区。所以State = new unsigned long[Nb+3]; 当解密时State += 3;加密时不变。 AES算法中行混淆的实现： 加密时第1，2，3列（从0开始）分别上旋(解密时下旋)1，2，3个字节。先拷贝前三行到State的最后三行(就是拷贝到多出来的那三行)。 设temp(unsigned char temp[4])为行混淆后第n行的数据。 设Nb = 4,那么加密时的逻辑结构为：（空白为无效数据） 拷贝前：拷贝后：处理完后的结果： c0 c1 c2 c3 c0 c1 c2 c3 c0 c1 c2 c3 --------------------- --------------------- --------------------- | s0 | s1 | s2 | s3 | | s0 | | | | | t0 | t5 | ta | tf | --------------------- --------------------- --------------------- | s4 | s5 | s6 | s7 | | s4 | s5 | | | | t4 | t9 | te | t3 | --------------------- --------------------- --------------------- | s8 | s9 | sa | sb | | s8 | s9 | sa | | | t8 | td | t2 | t7 | --------------------- --------------------- --------------------- | sc | sd | se | sf | | sc | sd | se | sf | | tc | t1 | t6 | tb | --------------------- --------------------- --------------------- | | | | | | | s1 | s2 | s3 | | | | | | --------------------- --------------------- --------------------- | | | | | | | | s6 | s7 | | | | | | --------------------- --------------------- --------------------- | | | | | | | | | sb | | | | | | --------------------- --------------------- --------------------- 则temp = {s0,s5,sa,sf};temp值经其它运算后放入State的第n行。 下面是解密时的情况 拷贝前：拷贝后：处理完后的结果：
AES加密算法流程介绍
AES加密算法流程介绍 作者美创科技安全实验室 01、AES算法简介 美国政府在1997年公开征集高级加密标准（Advanced Encryption Standard:AES）替代DES加密算法。AES得到了全世界很多密码工作者的响应，先后有很多人提交了自己设计的算法。最终有5个候选算法进入最后一轮：Rijndael，Serpent，Twofish，RC6和MARS。最终经过安全性分析、软硬件性能评估等严格的步骤，Rijndael算法获胜。 02、AES的基本结构 AES为分组密码，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： 接下来，我们以AES-128为例，介绍AES算法的流程。 03、AES算法流程
AES加密算法涉及4种操作：字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。 下图给出了AES加解密的流程，从图中可以看出： 1）解密算法的每一步分别对应加密算法的逆操作 2）加解密所有操作的顺序正好是相反，保证了算法的正确性。 另外，加解密中每轮的密钥分别由种子密钥经过密钥扩展算法得到。算法中16字节的明文、密文和轮子密钥都以一个4x4的矩阵表示。 3.1字节替代 字节代替的主要功能是通过S盒完成一个字节到另外一个字节的映射。AES定义了一个S盒和一个逆S盒，用于提供密码算法的混淆性。 S盒：
128位AES加密算法
声明文件 AES.h #ifndef _AES_H_#define _AES_H_ #include
AES加密、解密算法原理
AES加密、解密算法原理和AVR实现 摘要 AES是美国高级加密标准算法,将在未来几十年里代替DES在各个领域中得到广泛应用。本文在研究分析AES加密算法原理的基础上，着重说明算法的实现步骤，并结合AVR 汇编语言完整地实现AES加密和解密。根据AES原理，提出几种列变化的优化算法，并根据实验结果分析和比较它们的优缺点。 关键词 AES算法 DES AVR汇编语言加密算法解密算法 引言 随着对称密码的发展,DES数据加密标准算法由于密钥长度较小(56位),已经不适应当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求，因此1997年NIST公开征集新的数据加密标准,即AES[1]。经过三轮的筛选,比利时Joan Daeman和Vincent Rijmen提交的Rijndael 算法被提议为AES的最终算法。此算法将成为美国新的数据加密标准而被广泛应用在各个领域中。尽管人们对AES还有不同的看法,但总体来说,AES作为新一代的数据加密标准汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点。AES设计有三个密钥长度:128,192,256位，相对而言，AES的128密钥比DES的56密钥强1021倍[2]。AES算法主要包括三个方面：轮变化、圈数和密钥扩展。本文以128为例，介绍算法的基本原理；结合AVR汇编语言，实现高级数据加密算法AES。 1 AES加密、解密算法原理和AVR实现 AES是分组密钥，算法输入128位数据，密钥长度也是128位。用Nr表示对一个数据分组加密的轮数（加密轮数与密钥长度的关系如表1所列）。每一轮都需要一个与输入分组具有相同长度的扩展密钥Expandedkey(i)的参与。由于外部输入的加密密钥K长度有限,所以在算法中要用一个密钥扩展程序(Keyexpansion)把外部密钥K扩展成更长的比特串,以生成各轮的加密和解密密钥。 1.1 圈变化 AES每一个圈变换由以下三个层组成: 非线性层——进行Subbyte变换； 线行混合层——进行ShiftRow和MixColumn运算； 密钥加层——进行AddRoundKey运算。 ① Subbyte变换是作用在状态中每个字节上的一种非线性字节转换,可以通过计算出来的S盒进行映射。 Schange: ldi zh,＄01;将指针指向S盒的首地址 mov zl,r2；将要查找的数据作为指针低地址 ldtemp,z+；取出这个对应的数据 mov r2,temp；交换数据完成查表 … ret ② ShiftRow是一个字节换位。它将状态中的行按照不同的偏移量进行循环移位，而这个偏移量也是根据Nb的不同而选择的[3]。 shiftrow:;这是一个字节换位的子程序 mov temp,r3;因为是4×4 mov r3,r7; r2 r6 r10 r14 r2 r6 r10 r14 mov r7,r11; r3 r7 r11 r15---r7 r11 r15 r3 mov r11,r15; r4 r8 r12 r17 r12 r17 r4 r8
AES加密算法原理
AES加密算法原理 随着对称密码的发展,DES数据加密标准算法由于密钥长度较小(56位),已经不适应当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求，因此1997年NIST公开征集新的数据加密标准,即AES[1]。经过三轮的筛选,比利时Joan Daeman和Vincent Rijmen提交的Rijndael算法被提议为AES的最终算法。此算法将成为美国新的数据加密标准而被广泛应用在各个领域中。尽管人们对AES还有不同的看法,但总体来说,AES作为新一代的数据加密标准汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点。AES设计有三个密钥长度:128,192,256位，相对而言，AES的128密钥比DES的56密钥强1021倍[2]。AES算法主要包括三个方面：轮变化、圈数和密钥扩展。本文以128为例，介绍算法的基本原理；结合AVR汇编语言，实现高级数据加密算法AES。 AES是分组密钥，算法输入128位数据，密钥长度也是128位。用Nr表示对一个数据分组加密的轮数（加密轮数与密钥长度的关系如表1所列）。每一轮都需要一个与输入分组具有相同长度的扩展密钥Expandedkey(i)的参与。由于外部输入的加密密钥K长度有限,所以在算法中要用一个密钥扩展程序(Keyexpansion)把外部密钥K扩展成更长的比特串,以生成各轮的加密和解密密钥。 1.1圈变化 AES每一个圈变换由以下三个层组成: 非线性层——进行Subbyte变换； 线行混合层——进行ShiftRow和MixColumn运算； 密钥加层——进行AddRoundKey运算。 ①Subbyte变换是作用在状态中每个字节上的一种非线性字节转换,可以通过计算出来的S 盒进行映射。 ②ShiftRow是一个字节换位。它将状态中的行按照不同的偏移量进行循环移位，而这个偏移量也是根据Nb的不同而选择的[3]。 ③在MixColumn变换中,把状态中的每一列看作GF(28)上的多项式a(x)与固定多项式c(x)相乘的结果。b(x)=c(x)*a(x)的系数这样计算:
基于AES加密算法的实现与应用
基于AES加密算法的实现与应用 摘要：对数据加密是保护数据安全唯一实用的方法，它是数据保护在技术上最重要的防线。本文主要论述aes算法的加、解密实现的原理与安全性的分析，并概述aes算法的应用。 关键词：aes算法对称性加密应用 随着计算机网络的不断发展，信息的安全性和保密性变得尤为重要。加密技术是对通信系统或者存储系统中的信息数据进行保护的一个很重要的方式。而aes(advanced encryption standard)算法是美国国家标准和技术研究所（nist）在21世纪初正式推出的旨在取代des算法的高级加密标准算法。用它对数据文件进行加密的运算，其优势在于aes是一种高效、安全的对称加密算法，具备很强的扩散性能，最终形成的密码有很高的随机性。数据文件经aes 算法加密后，信息会得到有效保护。 1、aes概述 1.1 aes简介 aes是1997年1月美国国家标准和技术研究所(nist)发布征集的新加密算法，是一种分组加密算法。目前，rijndael算法以其优秀的性能和抗攻击能力是通用标准aes算法。rijndael算法除具备低成本、高安全性的特性外，最大优点在于即使在受限工作环境下（如较小内存空间中）也有较好的加密/解密运算效率；而在运算子的设计上，亦容易抵抗完全搜寻攻击，如此便能保证aes可有较长的安全周期。
1.2 aes的算法结构 aes分组密码拥有128比特的分块长度,而且可以使用128、192、256比特大小的密钥。密钥的长度影响着密钥编排（即在每一轮中使用的自密钥）和轮的次数，但是不影响每一轮中的高级结构。aes算法都是在中间态基础上进行处理的，其加密、解密算法结构如图1-1所示，与使用feistel结构的des相比，aes本质上是一个代替置换网络。在aes的计算中，有一个被称为state的4乘4字节数组，是通过多轮操作来修改的。这个state的最初设置和分组密码的输入是相等的（注意输入是128比特，确切的是16字节）。aes算法的主循环对state执行4个不同的运算：subbytes(字节替换)、shiftrows(行位移变换)、mixcolumns(列混合变换)和addroundkey(轮密钥加)。在加密的最后阶段，state被变回为128位的线性串。 下面对四种变换进行简单的介绍： (1)subbytes(字节替换)是非线形变换，该置换包含一个作用在状态字节上的s-box，用srd表示，他是由字节在gf(28)域中求其乘法逆并外加一个仿射变换实现。 (2)shiftrows(行位移变换)，在这一步中,状态数组每一行的字节按如下方式循环左移:第一行不动,第二行左移一位,第三行左移两位,第四行左移三位。所有的移位都是循环的，例如第二行中第一个字节变成了第四个字节。它和列混合运算相互影响，在多轮变换后，使密码信息达到充分的混乱，提高非线形度。
AES加密算法实现C
AES加密算法实现C/S模式的通信 设计任务： 掌握AES的加密算法原理； 掌握用socket编程实现C/S模式的加密通信。 设计内容： Socket编程实现客户端和服务器模式的通信； 编程实现AES加解密的过程； 将AES应用在C/S的通信中，对信息进行加密传输。 设计原理： 1、socket编程实现C/S模式的通信，当用户在客户端发出请求时，会在服 务器端做出相应的反应，并给出应答信息返回给客户端。 2、AES――对称密码新标准：高级加密标准。对称密码体制的发展趋势将以 分组密码为重点。分组密码算法通常由密钥扩展算法和加密（解密）算 法两部分组成。密钥扩展算法将b字节用户主密钥扩展成r个子密钥。 加密算法由一个密码学上的弱函数f与r个子密钥迭代r次组成。混乱 和密钥扩散是分组密码算法设计的基本原则。抵御已知明文的差分和线 性攻击，可变长密钥和分组是该体制的设计要点。AES是美国国家标准技 术研究所NIST旨在取代DES的21世纪的加密标准。AES的基本要求是，采用对称分组密码体制，密钥长度的最少支持为128、192、256，分组长 度128位，算法应易于各种硬件和软件实现。1998年NIST开始AES第一 轮分析、测试和征集，共产生了15个候选算法。1999年3月完成了第二 轮AES 2的分析、测试。最终将Rijndael数据加密算法作为高级加密标 准AES。在应用方面，尽管DES在安全上是脆弱的，但由于快速DES芯片 的大量生产，使得DES仍能暂时继续使用，为提高安全强度，通常使用 独立密钥的三级DES。但是DES迟早要被AES代替。 3、AES的主要算法原理： 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。为了阐明这些技术，让我们用 Figure 1 所示的数据讨论一个具 体的 AES 加密例子。下面是你要加密的128位值以及它们对应的索引数 组： 00 11 22 33 44 55 66 77 88 99 aa bb cc dd ee ff 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 192位密钥的值是： 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 11 12 13 14 15 16 17 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
AES加密算法研究分析
AES加密算法研究分析 摘要 AES（The Advanced Encryption Standard）是美国国家标准与技术研究所用于加密电子数据的规范。它被预期能成为人们公认的加密包括金融、电信和政府数字信息的方法。本文展示了AES的概貌并解析了它使用的算法。包括一个完整的C#实现和加密.NET数据的举例。在读完本文后你将能用AES加密、测试基于AES的软件并能在你的系统中使用AES 加密。 美国国家标准与技术研究所(NIST)在2002年5月26日建立了新的高级数据加密标准(AES)规范。本文中我将提供一个用C#编写的的能运行的AES 实现，并详细解释到底什么是AES 以及编码是如何工作的。我将向您展示如何用AES 加密数据并扩展本文给出的代码来开发一个商业级质量的AES 类。我还将解释怎样把AES 结合到你的软件系统中去和为什么要这么做，以及如何测试基于AES 的软件。 注意本文提供的代码和基于本文的任何其它的实现都在联邦加密模块出口控制的适用范围之内（详情请参看Commercial Encryption Export Controls ）。 AES 是一个新的可以用于保护电子数据的加密算法。明确地说，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。与公共密钥密码使用密钥对不同，对称密钥密码使用相同的密钥加密和解密数据。通过分组密码返回的加密数据的位数与输入数据相同。迭代加密使用一个循环结构，在该循环中重复置换（permutations ）和替换(substitutions）输入数据。Figure 1 显示了AES 用192位密钥对一个16位字节数据块进行加密和解密的情形。 Figure 1 部分数据