基于AES的软件加密解密的设计与实现

基于AES的软件加密解密的设计与实现作者：唐高阳孙世坤来源：《科技视界》2015年第18期【摘要】随着计算机的普及以及重视知识产权保护，使得软件加密技术蓬勃兴起，AES 算法正取代DES算法成为使用广泛的新标准。

介绍了如何运用AES算法对文档进行加密和解密，并给出了一个基于Visual C++ 2010开发平台和AES算法的实例。

【关键词】软件加密；AES算法；S盒1 AES算法基本原理AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是一个对称分组算法，用来取代DES算法，从而成为使用广泛的新标准。

选用Rijndael算法来作为AES，Rijndael是比利时的两位密码学家Daemen和Rijmen共同设计的。

Rijndael算法是具有分组长度和密钥长度均可变的分组算法。

密钥长度和分组长度可以独立地指定为128位、192位或是256位。

Feistel结构是数据分组中的一半被用来修改数据分组中另外一半，然后交换这两部分，AES算法不是Feistel结构的算法。

AES定义了一个S盒，它是由16×16个字节组成的矩阵，包含了8位值所能表达的256种可能的变换。

1.1 字节代换AES中输入分组是用以字节为单位的正方形矩阵来描述的，该分组被复制到State数组，这个数组在加密或解密的每个阶段都会被改变，运算完最后的轮密钥加变换后，State被复制到输出矩阵中。

字节代换是一个简单的查表操作，用State数组中的每个字节的高4位作为行值，低4位作为列值，然后取S盒中对应行列的元素作为输出，最后把State数组的该字节用输出的这个元素替换。

例如，十六进制值19，所对应的S盒的行值是1，列值是9，S盒中在此位置的值是D4，然后用D4替换19。

1.2 行位移行位移是这样来实现的，State的第一行保持不变，第二行循环左移1个字节，第三行循环左移2个字节，第四行循环左移3个字节。

1.3 列混淆列混淆是对每列独立地进行操作。

列混淆变换是这样进行的，把经行位移变换操作后的State数组的一列取出来，然后与一个4×4的矩阵进行与操作，把得到的结果覆盖取出来的那一列，依次类推，处理完4列以后就完成了列混淆变换。

1.4 轮密钥加轮密钥加变换就是把经过列混淆得到的State与密钥进行异或运算，也就是State的第1列与密钥的第1列进行异或运算，运算结果替换State的第1列，后面的几列以此方法类推。

2 实现过程2.1 定义类CASE作为AES算法的实现类typedef enum ENUM_KeySize_ //密钥长度类型{BIT128 = 0，BIT192，BIT256}ENUM_KEYSIZE；typedef enum GFCALCMODE_ //列混合变换模式{MODE01 = 0，MODE02，MODE03，MODE09，MODE0b，MODE0d，MODE0e}GFCALCMODE；typedef struct BYTE4_{BYTE w[4]；}BYTE4；class CAES //AES加密算法类{private：int Nk，Nr； //Nk-密钥在调度表中所占行数；Nr-轮密钥加的运算次数减1 byte （* State）[4]，*w[4]，*key[4]； //状态、密钥表、密钥void SubBytes（）； //字节转换void ShiftRows（）； //行位移变换void MixColumns（）； //列混合运算void AddRoundKey（int round）； //轮密钥加void KeyExpansion（）； //生成调度表void InvShiftRows（）； //反向行位移变换void InvSubBytes（）； //反向字节转换void InvMixColumns（）； //反向列混合运算BYTE GfCalc（BYTE b，GFCALCMODE Mode）； //域运算方法void Encrypt（BYTE * input，BYTE * output）； //加密16字节数据void Decrypt（BYTE * input，BYTE * output）； //解密16字节数据void EncryptBuffer（BYTE * input，int length）； //加密指定长度数据void DecryptBuffer（BYTE * input，int length）； //解密指定长度数据public：CAES（）；virtual ～CAES（）；bool SetKeys（ENUM_KEYSIZE KeySize，CString sKey）； //设置密钥CString &EncryptString（CString &input）； //加密字符串CString &DecryptString（CString &input）； //解密字符串void EncryptFile（CString SourceFile，CString TagerFile）； //加密文件void DecryptFile（CString SourceFile，CString TagerFile）； //解密文件}；2.2 在CAES类中实现SetKeys方法，该方法用于指定密钥及轮密钥加运算的次数 bool CAES：：SetKeys（ENUM_KEYSIZE KeySize，CString sKey）{int i，j；switch（ KeySize ） //Nk为轮密钥加的次数减1{case BIT128：this->Nk = 4； //128÷？8÷？4this->Nr = 10； //Nr = Nk + 6；break；case BIT192：this->Nk = 6； //192÷8÷4this->Nr = 12； //Nr = Nk + 6； break；case BIT256：default：this->Nk = 8； //256÷8÷4this->Nr = 14； //Nr = Nk + 6； break；}for（i=0；i{if（key[i]！=NULL）{delete key[i]；key[i]=NULL；}if（w[i]！=NULL）{delete w[i]；w[i]=NULL；}}for（i=0；i{key[i]=new byte[Nk]；if（key[i]==NULL）{return false；}}for（i=0；i{w[i]=new byte[4*（Nr+1）]；if（w[i]==NULL）{return false；}}for（i=0；ifor（j=0；jkey[i][j]=sKey.GetAt（Nk*i+j）；KeyExpansion（）； //生成密钥调度表return true；}2.3 在CASE类中实现SubBytes方法，该方法用于单字节代替变换操作void CAES：：SubBytes（） //字节代替变换{for（int i=0；ifor（int j=0；jState[i][j]=SBox[（State[i][j]>>4）&0x0F][State[i][j]&0x0F]；}2.4 GfCalc方法用来计算单字节的乖加计算，并根据不同的计算模式进行不同的计算 BYTE CAES：：GfCalc（BYTE b，GFCALCMODE Mode）{switch（Mode）{case MODE01：return b；break；case MODE02：if （b < 0x80）return （BYTE）（int）（belsereturn （BYTE）（（int）（bbreak；case MODE03：//（b*2）+b*1return （BYTE）（（int）GfCalc（b，MODE02） ^ （int）b ）；break；case MODE09：//（b*2*2*2）+b*1return （BYTE）（（int）GfCalc（GfCalc（GfCalc（b，MODE02），MODE02），MODE02） ^（int）b ）；break；case MODE0b：//（b*2*2*2）+（b*2）+b*1return （BYTE）（（int）GfCalc（GfCalc（GfCalc（b，MODE02），MODE02），MODE02） ^（int）GfCalc（b，MODE02） ^（int）b ）；break；case MODE0d：//（b*2*2*2）+（b*2*2）+b*1return （BYTE）（（int）GfCalc（GfCalc（GfCalc（b，MODE02），MODE02），MODE02） ^（int）GfCalc（GfCalc（b，MODE02），MODE02） ^（int）（b））；break；case MODE0e：//（b*2*2*2）+（b*2*2）+b*2return （BYTE）（（int）GfCalc（GfCalc（GfCalc（b，MODE02），MODE02），MODE02） ^（int）GfCalc（GfCalc（b，MODE02），MODE02） ^（int）GfCalc（b，MODE02））；break；default：return b；}}3 运行结果图14 结束语在商业企业的计算机中往往存在大量的机密文件，这些机密文件对企业的发展将会产生不可估量的作用。

如果这些机密文件保管不善，将会使企业遭受巨大的损失。

AES是一个新的可以用于保护电子数据并被广泛使用的加密算法。

【参考文献】[1]史子荣.软件加密技术从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007：69-74.[2]张翟.加密解密与网络安全技术[M].北京：冶金工业出版社，2002.[3]段钢.加密与解密[M].北京：冶金工业出版社，2003.[4]徐海风，曹小军.软件加密方法及技术[J].山西冶金，2007，1.[5]魏光村，孙忠林，徐燕妮.软件加密技术研究[J].福建电脑，2009，9.[6]Ivor Horton.Visual C++ 2010 入门经典[M].北京：清华大学出版社，2010. [责任编辑：汤静]。