1、AES加解密的算法密码学课程设计 学号: 班级: 姓名: 指导教师AES加解密算法一.原理 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。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2021年NIST公开征集新的数据加密标准,即AES1。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
2、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加密、解密算法原理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
3、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 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。 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 ShiftRow是
4、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44mov r3,r7; r2 r6 r10 r14 r2 r6 r10 r14 mov r7,r11; r3 r7 r11 r15-r7 r11 r15 r3mov r11,r15; r4 r8 r12 r17 r12 r17 r4 r8mov r15,temp; r5 r9 r13 r18 r18 r5 r9 r13mov temp,r4mov temp1,r8mov r4,r12mov r8,r17mov r12,t
5、empmov r17,temp1mov temp,r18mov r18,r13mov r13,r9mov r9,r5mov r5,tempret 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:*运算不是普通的乘法运算,而是特殊的运算,即b(x)=c(x)?a(x)(mod x4+1)对于这个运算b0=02。a0+03。a1+a2+a3令xtime(a0)=02。a0其中,符号“。”表示模一个八次不可约多项式的同余乘法3。mov temp,a0;这是一个mixcolimn子程序rcall
6、xtime;调用xtime程序mov a0,tempmov temp,a1rcall xtimeeor a0,a1eor a0,tempeor a0,a2eor a0,a3;完成b(x)的计算xtime:;这是一个子程序ldi temp1,1b lsl tempbrcs next1;如果最高位是1,则转移next: ret;否则什么也不变化next1:eor temp,temp1 rjmp next 对于逆变化,其矩阵C要改变成相应的D,即b(x)=d(x)a(x)。 密钥加层运算(addround)是将圈密钥状态中的对应字节按位“异或”。 根据线性变化的性质1,解密运算是加密变化的逆变化。这
7、里不再详细叙述。2 轮变化对不同的分组长度,其对应的轮变化次数是不同的。3 密钥扩展AES算法利用外部输入密钥K(密钥串的字数为Nk),通过密钥的扩展程序得到共计4(Nr+1)字的扩展密钥。它涉及如下三个模块: 位置变换(rotword)把一个4字节的序列A,B,C,D变化成B,C,D,A; S盒变换(subword)对一个4字节进行S盒代替; 变换RconiRconi表示32位比特字xi-1,00,00,00。这里的x是(02),如Rcon1=01000000;Rcon2=02021 000;Rcon3=04000000扩展密钥的生成:扩展密钥的前Nk个字就是外部密钥K;以后的字W等于它前一
8、个字Wi-1与前第Nk个字Wi-Nk的“异或”,即W=Wi-1 W- Nk。但是若为Nk的倍数,则W=Wi-Nk Subword(Rotword(W-1) Rconi/Nk。二.过程流程:AddRoundKey步骤,回合金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回合金钥(通过Rijndael密钥生成方案产生),这把金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。在AddRoundKey 步骤中,将每个状态中的字节与该回合金钥做异或()。SubBytes 步骤在SubBytes步骤中,矩阵中的各字节通过一个8位的S-box进行转换。这个步骤提供了加密法非线性
9、的变换能力。S-box与GF(28)上的乘法反元素有关,已知具有良好的非线性特性。为了避免简单代数性质的攻击,S-box结合了乘法反元素及一个可逆的仿射变换矩阵建构而成。 此外在建构S-box时,刻意避开了固定点与反固定点,即以S-box替换字节的结果会相当于错排的结果。 此条目有针对S-box的详细描述:Rijndael S-box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).ShiftRows 步骤ShiftRows是针对矩阵的每一个横列操作的步骤。 在此步骤中,每一行都向左循环位移某个偏移量。在AES中(区块大小128位)
10、,第一行维持不变,第二行里的每个字节都向左循环移动一格。同理,第三行及第四行向左循环位移的偏移量就分别是2和3。128位和192位的区块在此步骤的循环位移的模式相同。经过ShiftRows之后,矩阵中每一竖列,都是由输入矩阵中的每个不同列中的元素组成。Rijndael算法的版本中,偏移量和AES有少许不同;对于长度256位的区块,第一行仍然维持不变,第二行、第三行、第四行的偏移量分别是1字节、3字节、4位组。除此之外,ShiftRows操作步骤在Rijndael和AES中完全相同。在ShiftRows 步骤中,矩阵中每一行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。MixColumn
11、s 步骤在MixColumns步骤,每一直行的四个字节通过线性变换互相结合。每一直行的四个元素分别当作1,x,x2,x3的系数,合并即为GF(28)中的一个多项式,接着将此多项式和一个固定的多项式c(x) = 3x3 + x2 + x + 2在modulo x4 + 1下相乘。此步骤亦可视为 Rijndael有限域之下的矩阵乘法。MixColumns函数接受4个字节的输入,输出4个字节,每一个输入的字节都会对输出的四个字节造成影响。因此ShiftRows和MixColumns两步骤为这个密码系统提供了扩散性。在 MixColumns 步骤中,每个直行都在modulo x4 + 1之下,和一个固
12、定多项式 c(x) 作乘法。三.源代码package com.oristand.zl;import java.awt.FlowLayout;import java.awt.event.ActionEvent;import java.awt.event.ActionListener;import javax.crypto.*;import javax.crypto.spec.*;import javax.swing.JButton;import javax.swing.JFrame;import javax.swing.JLabel;import javax.swing.JPanel;impor
13、t javax.swing.JScrollPane;import javax.swing.JTextArea;import javax.swing.JTextField;public class Aes1 public static void main(String args) throws Exception /* 加密用的Key 可以用26个字母和数字组成,最好不要用保留字符,虽然不会错,至于怎么裁决,个人看情况而定 */ JFrame jf=new JFrame(AES加解密); JPanel jp=new JPanel(); JLabel j1=new JLabel(加密字符串); J
14、Label j2=new JLabel(加密后字符串); JLabel j3=new JLabel(解密后字符串); JButton jb1=new JButton( 加密 ); JButton jb2=new JButton( 解密 ); final JTextField jtf=new JTextField(30); final JTextField jtf1=new JTextField(30); final JTextField jtf2=new JTextField(30); final String cKey = 1234567890123456; jf.setSize(400,6
15、00); jp.setLayout(new FlowLayout(); jp.add(j1); jp.add(jtf); jp.add(jb1); jp.add(j2); jp.add(jtf1); jp.add(jb2); jp.add(j3); jp.add(jtf2); jf.add(jp); jf.setVisible(true); jb1.addActionListener(new ActionListener() Override public void actionPerformed(ActionEvent e) / TODO Auto-generated method stub
16、 String cSrc = jtf.getText(); System.out.println(加密明文是:+cSrc); /long lStart = System.currentTimeMillis(); String enString; try enString = Aes1.Encrypt(cSrc, cKey); jtf1.setText(enString); System.out.println(加密后的字串是: + enString); catch (Exception e1) / TODO Auto-generated catch block e1.printStackTra
17、ce(); ); jb2.addActionListener(new ActionListener() Override public void actionPerformed(ActionEvent e1) / TODO Auto-generated method stub String s=jtf1.getText(); String DeString; try DeString = Aes1.Decrypt(s, cKey); jtf2.setText(DeString); System.out.println(解密后的字串是: + DeString); catch (Exception
18、 e) / TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); ); jf.setDefaultCloseOperation(jf.EXIT_ON_CLOSE); /需要加密的字串 /加密 public static String Decrypt(String sSrc, String sKey) throws Exception try /判断Key是否正确 if (sKey = null) System.out.print(Key为空null); return null; /判断Key是否为16位 if (sKey.length() !
19、= 16) System.out.print(Key长度不是16位); return null; byte raw = sKey.getBytes(ASCII); SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(raw, AES); Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES); cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skeySpec); byte encrypted1 = hex2byte(sSrc); try byte original = cipher.doFinal(encrypted1
20、); String originalString = new String(original); return originalString; catch (Exception e) System.out.println(e.toString(); return null; catch (Exception ex) System.out.println(ex.toString(); return null; /判断Key是否正确 public static String Encrypt(String sSrc, String sKey) throws Exception if (sKey =
21、null) System.out.print(Key为空null); return null; /判断Key是否为16位 if (sKey.length() != 16) System.out.print(Key长度不是16位); return null; byte raw = sKey.getBytes(ASCII); SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(raw, AES); Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES); cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec);
22、 byte encrypted = cipher.doFinal(sSrc.getBytes(); return byte2hex(encrypted).toLowerCase(); public static byte hex2byte(String strhex) if (strhex = null) return null; int l = strhex.length(); if (l % 2 = 1) return null; byte b = new bytel / 2; for (int i = 0; i != l / 2; i+) bi = (byte) Integer.pars
23、eInt(strhex.substring(i * 2, i * 2 + 2), 16); return b; public static String byte2hex(byte b) String hs = ; String stmp = ; for (int n = 0; n b.length; n+) stmp = (java.lang.Integer.toHexString(bn & 0XFF); if (stmp.length() = 1) hs = hs + 0 + stmp; else hs = hs + stmp; return hs.toUpperCase(); 四.测试1
24、.加密界面2.加密字符串(学号)3.加密后结果4.解密后结果5.打印结果五.分析理解AES需要知道以下两个概念:状态:算法中间的结果也需要分组,称之为状态,状态可以用以字节为元素的矩阵阵列表示,该阵列有4行,列数Nb为分组长度除32;种子密钥:以字节为元素的矩阵阵列描述,阵列为4行,列数Nk为密钥长度除32,其中根据种子密钥,可以推导出各轮子密钥w , ,此过程亦称作密钥扩展,针对不同密钥长度的密钥扩展算法可以参照阅读AES算法标准发布文档。流程如下:首先生成128位16字节的初始密钥ckey,判断密钥是否为16字节,如不是则返回空,如是则继续。public static String Enc
25、rypt(String sSrc, String sKey)函数Encrpt是用来加密所给字符串,其中sSrc是要加密的明文,sKey是密钥,加密后返回加密后字符串。public static String Decrypt(String sSrc, String sKey)函数Decrpt是用来解密加密后的密文,sSrc是加密后的字符串,sKey是加密密钥,解密后返回加密后的明文。 以下为判断密钥是否为128位(16字节) if (sKey = null) System.out.print(Key为空null); return null; /判断Key是否为16位 if (sKey.lengt
26、h() != 16) System.out.print(Key长度不是16位); return nul以下代码为把2进制转化为16进制public static byte hex2byte(String strhex) if (strhex = null) return null; int l = strhex.length(); if (l % 2 = 1) return null; byte b = new bytel / 2; for (int i = 0; i != l / 2; i+) bi = (byte) Integer.parseInt(strhex.substring(i *
27、 2, i * 2 + 2), 16); return b; 以下为步骤:1.在源程序中输入16字节的密钥,开始时判断是否为128位2进制,如是则继续下面的加密过程及解密过程。2加密前输入加密明文,然后用加密算法Encrpt加密明文,把加密后的打印出来。3.用Decrpt解密密文,输入为密文和密钥,解密后的明文与加密前明文对比,如果一样则加密成功,输出和解密后结果,如不一样则要更改算法。六.总结1.算法优化衡量分组密码硬件实现性能的重要参数有两个:1)吞吐量(throughput)。单位时间内加/解密的数据量(b/s) 。2)电路面积(area) ,针对 FPGA,指的是所消耗的可配置逻辑块(
28、CLB)。数据的加密速度和加密的吞吐量密切相关,可用公式(1)进行简单计算: 吞吐量=处理的比特平均数秒 (1) 在AES算法模式下,也可表示成: 吞吐量=l28/(处理一个块的时钟周期的平均值+时钟周期值)(2) 在非反馈模式下使用不同的结构,可以实现不同的优化要求。流水线结构能实现速度最大优化,最小面积需求的应用中,则可使用循环结构。要实现最佳速度面积比率, 流水线循环结构是最佳选择。结构改进可以实现一定的性能优化 为了提高 AES 加密硬件实现结构的吞吐量,可针对 AES 算法轮函数中的四个关键步骤进行优化设计和实现。 (1)对列混淆的有限域运算进行优化。列混淆是基于 GF(28)代数运算的数据代换过程,可以通过对运算的分解做出优化。对有限域运算进行优化有效节约了设计资源。 (2)利用 FPGA 中的存储器资源,用查表方法取代乘法操作。将S 盒用一个 8 入 8 出的查找表实现。这样提高了资源利用率。文献5通过对 S 盒的优化,使用0137m CMOS技术在780MHz标准库下实现了10Gbps的加密速度。2. AES算法应用从 AES 算法提出至今,由于其显著优势已逐步取代 DES 成为新一代加密标准。它的主要特点有:成功运用了二元域上多项式的结构,硬件实现很方便。软件实现也方便,可以在智能卡中实现,且速度较高,算法的代码行少效率较高,AES
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