AES加密算法C代码分析

0.引言

对于加密算法的软件实现，通常已经有很多的成熟的库可供选择，只需要根据自己的要求进行选择即可相应的库即可（有的可能需要进行些许修改）。这里选择的是C语言实现的一个开源密码库mbedTLS，mbedTLS由XySSL发展而来，后改为PolarSSL，PolarSSL被ARM公司收购后改成了mbedTLS，主要用于物联网等安全嵌入式领域。mbedTLS实现了常见的分组加密算法、hash算法、RSA以及ECC公钥密码体制，一个适用于嵌入式的SSL协议以及X509证书等，基本能够满足大部分的嵌入式安全应用。

1.AES加密算法代码分析

这里不再详细的介绍AES的数学原理以及设计思路等，只是结合软件进行代码分析，关于AES的官方文档可以在NIST网站上下载得到。

1）数据结构

数据结构与算法密切相关，通常分组加密算法定义的数据结构都较为类似，mbedTLS的AES定义了如下数据结构：

typedef struct
{
    int nr;                     /*!<  number of rounds  */
    uint32_t *rk;               /*!<  AES round keys    */
    uint32_t buf[68];           /*!<  unaligned data    */
}
mbedtls_aes_context;

2）算法主体

分组加密算法的软件实现通常会采用“查找表”的方式来提高算法的运算速度，通过表格或者预计算表格直接查表得到对应的算法运算结果。

对算法的分析仅仅以加密算法为例，解密算法的过程基本类似，只是前向表格改为逆向表格而已。

下面先给出代码再进行分析：

 1 void mbedtls_aes_encrypt( mbedtls_aes_context *ctx,
 2                           const unsigned char input[16],
 3                           unsigned char output[16] )
 4 {
 5     int i;
 6     uint32_t *RK, X0, X1, X2, X3, Y0, Y1, Y2, Y3;
 7 
 8     RK = ctx->rk;
 9 
10     GET_UINT32_LE( X0, input,  0 ); X0 ^= *RK++;
11     GET_UINT32_LE( X1, input,  4 ); X1 ^= *RK++;
12     GET_UINT32_LE( X2, input,  8 ); X2 ^= *RK++;
13     GET_UINT32_LE( X3, input, 12 ); X3 ^= *RK++;
14 
15     for( i = ( ctx->nr >> 1 ) - 1; i > 0; i-- )
16     {
17         AES_FROUND( Y0, Y1, Y2, Y3, X0, X1, X2, X3 );
18         AES_FROUND( X0, X1, X2, X3, Y0, Y1, Y2, Y3 );
19     }
20 
21     AES_FROUND( Y0, Y1, Y2, Y3, X0, X1, X2, X3 );
22 
23     X0 = *RK++ ^ \
24             ( (uint32_t) FSb[ ( Y0       ) & 0xFF ]       ) ^
25             ( (uint32_t) FSb[ ( Y1 >>  8 ) & 0xFF ] <<