AES 多项式求逆

在进行AES求解时,涉及到对多项式的求逆的过程。但是好像没有人写过这方面的博客,所以我想试着写一下。

AES中,不可约多项式选择为:m(x) = x^8+x^4+x^3+x+1.

算法的思想是穷举,对于给定的多项式 f(x),穷举多项式g(x),使得 f(x)*g(x) = 1 mod m(x).

(扩展欧几里得算法要比穷举好,但是我不会写....

/*
***  Author: Lizhiwei
***  Date:2021.12.25
*/
#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int Mod = 283; //模数 
stack<int>Mystack;
void Init(){
	int k = Mod;
	while(k>0){
		int t = (k&1);
		Mystack.push(t);
		k = k >> 1;
	}
	while(!Mystack.empty()){
		int t = Mystack.top();
		cout<<t;
		Mystack.pop(); 
	}
}
string Str(int t){
	stringstream ss;
    string str;
    ss<<t;
    ss>>str;
    return str;
}
string GenString(int f){
	int k = f;
	while(k>0){
		int t = (k&1);
		Mystack.push(t);
		k = k >> 1;
	}
	string s = "";
	while(!Mystack.empty()){
		int t = Mystack.top();
		string str = Str(t);
	    s += str;
		Mystack.pop(); 
	}
	if(s.length()<8){
		int len = 8-s.length();
		string s1 = "";
		string s2 = "";
		for(int i=0;i<len;i++){
			s1 += "0";
		}
		s1 += s;
		for(int i=0;i<s1.length();i++){
			if(s1[i] != '0'){
				s2 += Str(s1.length()-1-i);
			}
		}
		return s2;
	}
	string s2;
	for(int i=0;i<s.length();i++){
		if(s[i] != '0'){
			s2 += Str(s.length()-1-i);
		}
	}
	return s2;
}
void Cheng(string s1, string s2, string s3){
	int len1 = s1.length();
	int len2 = s2.length();
	int t = 0;
	int mem[len1*len2]; //
	int mem2[15]; // 下标存储系数的个数 
	for(int i=0;i<15;i++) mem2[i] = 0;
	//cout<<"s1 = "<<s1<<"  s2 = "<<s2<<"  sm = "<<s3<<endl;
	for(int i=0;i<len1;i++){
		for(int j=0;j<len2;j++){
			mem[t++] = int(s1[i]-'0') + int(s2[j]-'0');
		}
	}
	for(int i=0;i<len1*len2;i++){
		mem2[mem[i]] += 1;
	}
	for(int i=0;i<15;i++){
		mem2[i] %= 2;
		//cout<<mem2[i]<<" ";
	} 
	//cout<<endl;
	
	
	for(int i=8;i<15;i++){
		if(mem2[i] != 0){
			mem2[i] = 0;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[1]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[2]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[3]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[4]-'0')] += 1;
		}
	}
	
	for(int j=0;j<15;j++){
		mem2[j] %= 2;
	} 
	for(int i=8;i<15;i++){
		if(mem2[i] != 0){
			mem2[i] = 0;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[1]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[2]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[3]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[4]-'0')] += 1;
		}
	}
	for(int j=0;j<15;j++){
		mem2[j] %= 2;
	} 
	for(int i=8;i<15;i++){
		if(mem2[i] != 0){
			mem2[i] = 0;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[1]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[2]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[3]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[4]-'0')] += 1;
		}
	}
	
	for(int j=0;j<15;j++){
		mem2[j] %= 2;
	} 
	
	for(int i=8;i<15;i++){
		if(mem2[i] != 0){
			mem2[i] = 0;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[1]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[2]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[3]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[4]-'0')] += 1;
		}
	}
	for(int j=0;j<15;j++){
		mem2[j] %= 2;
	} 
	
	for(int i=8;i<15;i++){
		if(mem2[i] != 0){
			mem2[i] = 0;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[1]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[2]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[3]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[4]-'0')] += 1;
		}
	}
	
	for(int j=0;j<15;j++){
		mem2[j] %= 2;
	} 
	for(int i=8;i<15;i++){
		if(mem2[i] != 0){
			mem2[i] = 0;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[1]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[2]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[3]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[4]-'0')] += 1;
		}
	}

	for(int j=0;j<15;j++){
		mem2[j] %= 2;
	} 
	for(int i=8;i<15;i++){
		if(mem2[i] != 0){
			mem2[i] = 0;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[1]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[2]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[3]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[4]-'0')] += 1;
		}
	}
	
	for(int j=0;j<15;j++){
		mem2[j] %= 2;
	} 
	for(int i=8;i<15;i++){
		if(mem2[i] != 0){
			mem2[i] = 0;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[1]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[2]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[3]-'0')] += 1;
			mem2[i-int(s3[0]-'0')+int(s3[4]-'0')] += 1;
		}
	}
	
	for(int i=0;i<15;i++){
		mem2[i] %= 2;
	} 
	int flag1 = mem2[0];
	int flag2 = 0;
	
	for(int i=1;i<15;i++){
		if(mem2[i]!=0) flag2 = 1;
	}
	if(flag1 == 1 && flag2 ==0){
		cout<<"("; 
		for(int i=0;i<s2.length()-1;i++){
			cout<<"x^"<<s2[i]<<"+";
		}
		cout<<"x^"<<s2[s2.length()-1]<<")^{-1} = ";
		
		for(int i=0;i<s1.length()-1;i++){
			cout<<"x^"<<s1[i]<<"+";
		}
		cout<<"x^"<<s1[s1.length()-1]<<endl;
		//cout<<" ans = "<<s1 <<"  "<<s2<<endl;
	}
	
}
void Solve(int f,int X,int Mod){
	string s_f = GenString(f);
	string s_x = GenString(X);
	string s_m = GenString(Mod); 
	//cout<<"s_f = "<<s_f<<"  s_x = "<<s_x<<"  s_m = "<<s_m<<endl;
	Cheng(s_f, s_x, s_m);
}
int main(){
	Init(); 
	cout<<endl;
	for(int X=1;X<255;X++){
		for(int i=1;i<255;i++){
			Solve(i, X, Mod);
		}
	}
	
	return 0;
}

### AES加密算法中的字节运算 在AES(Advanced Encryption Standard)加密算法中,字节运算通常与S盒(Substitution Box)相关。S盒的设计基于有限域上的乘法元以及一个仿射变换矩阵[^3]。以下是对AES中字节运算的详细解析: #### 1. 有限域上的乘法AES中的字节运算发生在有限域 \(GF(2^8)\) 上。每个字节可以被看作是一个多项式,系数为0或1,最高次幂为7。例如,字节 `x` 可以表示为多项式 \(a_7x^7 + a_6x^6 + \dots + a_1x + a_0\),其中 \(a_i\) 是二进制位。 对于给定的字节 `b`,其元 `b_inv` 满足以下条件: \[ b \times b_{inv} = 1 \mod m(x) \] 其中,\(m(x)\) 是不可约多项式AES中使用的是 \(m(x) = x^8 + x^4 + x^3 + x + 1\)。 #### 2. 计算乘法元的方法 计算有限域上的乘法元可以通过扩展欧几里得算法实现。以下是伪代码示例: ```python def gf_mul_inverse(a, modulus): # 扩展欧几里得算法求逆元 if a == 0: return None # 0 在有限域上没有元 r_prev, r_curr = modulus, a t_prev, t_curr = 0, 1 while r_curr != 0: quotient = r_prev // r_curr r_prev, r_curr = r_curr, r_prev - quotient * r_curr t_prev, t_curr = t_curr, t_prev - quotient * t_curr if r_prev == 1: return t_prev % modulus else: return None # 如果r_prev != 1,则a无元 ``` #### 3. S盒中的字节运算 S盒的构造结合了乘法元和一个固定的仿射变换矩阵。具体步骤如下: - **步骤1**:对输入字节 `b` 计算其在 \(GF(2^8)\) 上的乘法元 `b_inv`。 - **步骤2**:将 `b_inv` 应用到一个固定的仿射变换矩阵上,并加上一个常量向量。 以下是S盒的构造公式(简化版): \[ S(b) = M \cdot b_{inv} + C \] 其中: - \(M\) 是一个固定的 \(8 \times 8\) 的二进制矩阵。 - \(C\) 是一个常量向量。 #### 4. 示例代码 以下是一个简单的Python实现,用于计算AES中的字节运算并生成S盒: ```python # 定义有限域上的乘法元函数 def gf_mul_inverse(byte, modulus=0x11B): if byte == 0: return None r_prev, r_curr = modulus, byte t_prev, t_curr = 0, 1 while r_curr != 0: quotient = r_prev // r_curr r_prev, r_curr = r_curr, r_prev ^ (quotient * r_curr) t_prev, t_curr = t_curr, t_prev ^ (quotient * t_curr) if r_prev == 1: return t_prev & 0xFF return None # 定义仿射变换函数 def affine_transform(byte): transformation_matrix = [ [1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1], [1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1], [1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1], [1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1], [1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0], [0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0], [0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0], [0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1] ] constant_vector = [1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0] result = 0 for i in range(8): bit = byte & 1 if transformation_matrix[i][0] & bit: result ^= 1 << 7 if transformation_matrix[i][1] & bit: result ^= 1 << 6 if transformation_matrix[i][2] & bit: result ^= 1 << 5 if transformation_matrix[i][3] & bit: result ^= 1 << 4 if transformation_matrix[i][4] & bit: result ^= 1 << 3 if transformation_matrix[i][5] & bit: result ^= 1 << 2 if transformation_matrix[i][6] & bit: result ^= 1 << 1 if transformation_matrix[i][7] & bit: result ^= 1 << 0 byte >>= 1 result ^= int(''.join(map(str, constant_vector)), 2) return result # 构建S盒 s_box = [] for i in range(256): inv = gf_mul_inverse(i) if inv is None: s_box.append(affine_transform(0)) else: s_box.append(affine_transform(inv)) print(s_box) ``` #### 5. 总结 AES中的字节运算主要涉及有限域上的乘法元和仿射变换两个步骤。通过上述方法,可以生成AES算法中的S盒,从而完成字节替换操作[^3]。
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