AES加密算法原理

1、AES 加密算法原理隨著對(duì)稱密碼的發(fā)展 ,DES 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)算法由于密鑰長(zhǎng)度較小(56 位 ),已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)今分布式開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)加密安全性的要求，因此 1997 年 NIST 公開(kāi)征集新的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn) ,即 AES1 。經(jīng)過(guò)三輪的篩選 , 比利時(shí) Joan Daeman 和 Vincent Rijmen 提交的 Rijndael 算法被提議 為 AES 的最終算法。此算法將成為美國(guó)新的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)而被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中。盡 管人們對(duì) AES 還有不同的看法 ,但總體來(lái)說(shuō) ,AES 作為新一代的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)匯聚了強(qiáng)安全 性、高性能、高效率、易用和靈活等優(yōu)點(diǎn)。 AES 設(shè)計(jì)有三個(gè)密鑰長(zhǎng)度 :

2、128,192,256 位，相對(duì) 而言，AES的128密鑰比DES的56密鑰強(qiáng)1021倍2。AES算法主要包括三個(gè)方面：輪變 化、圈數(shù)和密鑰擴(kuò)展。本文以 128 為例，介紹算法的基本原理；結(jié)合 AVR 匯編語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn) 高級(jí)數(shù)據(jù)加密算法 AES。AES 是分組密鑰， 算法輸入 128位數(shù)據(jù)， 密鑰長(zhǎng)度也是 128 位。 用 Nr 表示對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)分 組加密的輪數(shù) (加密輪數(shù)與密鑰長(zhǎng)度的關(guān)系如表 1 所列) 。每一輪都需要一個(gè)與輸入分組具 有相同長(zhǎng)度的擴(kuò)展密鑰Expandedkey(i)的參與。由于外部輸入的加密密鑰K長(zhǎng)度有限，所以在算法中要用一個(gè)密鑰擴(kuò)展程序 (Keyexpansion) 把外部密

3、鑰 K 擴(kuò)展成更長(zhǎng)的比特串 ,以生成 各輪的加密和解密密鑰。1.1 圈變化AES 每一個(gè)圈變換由以下三個(gè)層組成 :非線性層 進(jìn)行 Subbyte 變換；線行混合層 進(jìn)行 ShiftRow 和 MixColumn 運(yùn)算；密鑰加層 進(jìn)行 AddRoundKey 運(yùn)算。 Subbyte 變換是作用在狀態(tài)中每個(gè)字節(jié)上的一種非線性字節(jié)轉(zhuǎn)換，可以通過(guò)計(jì)算出來(lái)的 S盒進(jìn)行映射。 ShiftRow 是一個(gè)字節(jié)換位。它將狀態(tài)中的行按照不同的偏移量進(jìn)行循環(huán)移位，而這個(gè)偏 移量也是根據(jù) Nb 的不同而選擇的 3。 在MixColumn變換中，把狀態(tài)中的每一列看作GF(28)上的多項(xiàng)式a(x)與固定多項(xiàng)式c(x)相乘

4、的結(jié)果。 b(x)=c(x)*a(x) 的系數(shù)這樣計(jì)算 :*運(yùn)算不是普通的乘法運(yùn)算，而是特殊的運(yùn)算，即b(x)=c(x) a(x)(mod x4+1)對(duì)于這個(gè)運(yùn)算b0=02。a0+03。a1+a2+a3 令 xtime(a0)=02。a0其中，符號(hào)。”表示模一個(gè)八次不可約多項(xiàng)式的同余乘法3。S 03 01( Q2 U3 01祠I01 u 102 帶出ffi 01 】lIQ對(duì)于逆變化，其矩陣C要改變成相應(yīng)的 D,即b(x)=d(x) * a(x)。 密鑰加層運(yùn)算(addround)是將圈密鑰狀態(tài)中的對(duì)應(yīng)字節(jié)按位異或” 根據(jù)線性變化的性質(zhì)1,解密運(yùn)算是加密變化的逆變化。這里不再詳細(xì)敘述。1.2輪變

5、化對(duì)不同的分組長(zhǎng)度，其對(duì)應(yīng)的輪變化次數(shù)是不同的，如表1所列。1 AES 9也具貨舊7-黑 I葫創(chuàng)felt/輪童化XT次46412V41.3密鑰擴(kuò)展AES算法利用外部輸入密鑰K(密鑰串的字?jǐn)?shù)為 Nk)，通過(guò)密鑰的擴(kuò)展程序得到共計(jì)4(Nr+1)字的擴(kuò)展密鑰。它涉及如下三個(gè)模塊： 位置變換(rotword)把一個(gè)4字節(jié)的序列A,B,C,D變化成B,C,D,A; S盒變換(subword)對(duì)一個(gè)4字節(jié)進(jìn)行S盒代替； 變換 RconiRconi表示 32 位比特字xi-1,00,00,00。這里的 x 是(02)，女口 Rcon 1=01000000 ; Rcon2=02000000 ; Rcon3=04000000oil弓擴(kuò)展密計(jì)守或”迖則生擴(kuò)按醐鑰“異或勺運(yùn)算擴(kuò)展密鑰的生成：擴(kuò)展密鑰的前Nk個(gè)字就是外部密鑰 K ;以后的字 W i 等于它前一個(gè)字 Wi-1與前第 Nk 個(gè)字 Wi-Nk的異或”即 W i =Wi-1W i - Nk。但是若 i 為 Nk 的倍數(shù)，則