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

Figure 2 S-盒（ Sbox ）

当 AES 的构造函数（constructor）被调用时，用于加密方法的两个表被初始化。第一个表是代替盒称为S-盒。它是一个16×16的矩阵。S-盒的前五行和前五列如 Figure 2 所示。在幕后，加密例程获取该密钥数组并用它来生成名为w[]的

密钥调度表，Figure 3 所示。

Figure 3 密钥调度表（Key Sched）

w[] 最初的 Nk (6) 行被作为种子，用原始密钥值（0x00 到0x17）。剩余行从种子密钥来产生。变量 Nk 代表以 32 位字为单位的种子密钥长度。稍后我分析AES 实现时你将清楚地看到 w[] 是怎样产生的。关键是这里现在有许多密钥使用而不只是一个。这些新的密钥被称为轮密钥（round keys）以将它们与原始种

子密钥区别开来。

Figure 4 State （态）数组

AES 加密例程开始是拷贝 16 字节的输入数组到一个名为 State 的4×4 字节矩阵中。AES 加密算法取名为 Cipher，它操作 State[]。在规范中，加密算法实现的一个预备的处理步骤被称为 AddRoundKey（轮密钥加）。AddRoundKey 用密钥调度表中的前四行对 State 矩阵实行一个字节一个字节的异或（XOR）操作，并用轮密钥表 w[c,r] 异或输入 State[r,c]。

举个例子，如果 State 矩阵的第一行保存的字节是{ 00, 44, 88, cc }第一列密钥调度表是{ 00, 04, 08, 0c }，那么新的 State[0,2] 值是用 w[2,0]( 0x08 或 0x80 )异或 State[0,2](0x88)的结果：

1 0 0 0 1 0 0 0

0 0 0 0 1 0 0 0 XOR

1 0 0 0 0 0 0 0

AES 算法的主循环对 State 矩阵执行四个不同的操作，在规范中被称为SubBytes（字节替换）、ShiftRows（行位移变换）、MixColumns（列混合变换）和 AddRoundKey。除了每次循环 AddRoundKey 都被调用并使用密钥调度表的下面四行外，AddRoundKey 与预备处理步骤中的 AddRoundKey 相同。SubBytes 例程是一个代替操作，它将 State 矩阵中的每个字节替换成一个由 Sbox 决定的新字节。比如如果 State[0,1]的值是 0x40 如果你想找到它的代替者，你取State[0,1] 的值 (0x40) 并让 x 等于左边的数字(4)并让 y 等于右边的数字(0)。然后你用 x 和 y 作为索引进到 Sbox 表中寻找代替值，如 Figure 2 所

示。

ShiftRows 是一个置换操作，它将 State 矩阵中的字节向左旋转。Figure 6 示范了 ShiftRows 如何操作 State[]。State 第0行被向左旋转0个位置，State 第1行被向左旋转1个位置，State 第2行被向左旋转2个位置，而 State 的

第3行被向左旋转3个位置。

Figure 6 对 State 进行 ShiftRows 操作

MixColumns 是一个代替操作，它是理解 AES 算法时最具技巧（或者说是最需要动脑筋的部分）的部分。它用 State 字节列的值进行数学域加和域乘的结果代替每个字节。假设 State[0,1] 的值是0x09，并且列1上的其它值分别为 0x60，

0xe1 和 0x04，那么，

State[0,1] = (State[0,1] * 0x01) + (State[1,1] * 0x02) +(State[2,1] * 0x03)

+(State[3,1] * 0x01)

= (0x09 * 0x01) + (0x60 * 0x02) + (0xe1 * 0x03) +(0x04 * 0x01) = 0x57

此处加法和乘法是专门的数学域操作，而不是平常整数的加法和乘法。

SubBytes、ShiftRows、MixColumns 和 AddRoundKey 四个操作在一个执行Nr 次的循环里被调用，Nr 为给定密钥大小的轮数减 1。加密算法使用的轮数要么是10，12，要么是14，这依赖于种子密钥长度是128位、192 位还是 256 位。在这个例子中，因为 Nr 等于12，则这四个操作被调用11次。该迭代完成后，在拷贝 State 矩阵到输出参数前，加密算法调用 SubBytes、ShiftRows 和AddRoundKey 后结束。

大致说来，AES 加密算法的核心有四个操作。AddRoundKey 使用从种子密钥