文章目录
- 前言
- 一、前提知识
- 二、具体函数实现
- 1.xtime函数
- 2.如何利用xtime实现有限域中的乘法
- 3.密钥扩展
- 4.轮密钥加
- 5.字节代换
- 6.行移位
- 7.列混淆
- 8.整体代码
-
前言
用C语言实现AES128加密。这里仅仅针对输入的明文和密钥都为16字节的情况。
一、前提知识
1:需要掌握xtime,在有限域中的乘法
2:默认熟悉AES的加密流程
ps:这里简述一下:在有限域中加法就是无符号数的异或操作
乘法操作具体可以参照这篇文章:有限域GF(2^8)内乘法代码实现以及原理-优快云博客
二、具体函数实现
1.xtime函数
unsigned char XTIME(unsigned char num)
{
if(num&0x80){
return (num<<1)^0x1b;
}else{
return num<<1;
}
}
首先判断最高位是否为1，如果不是1就直接左移1位。如果是1，则先左移1位在和0x1b做异或运算。函数的结果即为在有限域中得到了一个数的2倍。xtime的多项式原理即为在有限域中拿x与一个数做乘法。多项式前面的系数即为无符号数对应位置的值，所以x用一个字节表示就是00000010，故函数的结果可以得到一个数在有限域中的2倍。
2.如何利用xtime实现有限域中的乘法
unsigned char multiply(unsigned char a,unsigned char b)
{
unsigned char temp[8]={a};
int i;
for(i=1;i<8;i++){
temp[i]=XTIME(temp[i-1]);
}
unsigned char res=0x00;
for(i=0;i<8;i++){
res=res^(((b<<i)&0x01)*temp[i]);
}
return res;
}
通过上面推荐的文章我们可以了解到任何一个在有限域中的数(这里以8位来举例说明)都可以通过0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80相异或得到。而一个数(用函数的a表示)与0x01,0x02,0x04......0x80都可以通过迭代xtime得到。第一个for循环功能即为此。第二个for循环的功能即为将b拆解，看它使用0x01,0x02......0x80中的哪些数异或而来，即将b拆解成0x01,0x02,0x04......0x80异或的形式。而a与这些数的乘积我们在第一个for循环已经得到。因此可以得到有限域中两个数的乘积。
3.密钥扩展
这里是AES128所以密钥扩展需要扩展10次(这里扩展1次等于得到新的4列)
ps:一些变量已在代码中给出,inkey即为初始输入的密钥序列，outkey即为扩展10次后的序列，Nk=4，Nr=10,这两个我基本没用
//密钥扩展
void ScheduleKey(unsigned char *inkey,
unsigned char *outkey, int Nk, int Nr)
{
int i,index=4,j,k,t;//index用于指示密钥扩展到哪一列了
unsigned char temp_4[4];//i-4的那四个字节
unsigned char temp_1[4];//i-1的那四个字节
unsigned char temp;
unsigned char temp_or[4]={0x00};
unsigned char array[10]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80,0x1b,0x36};
for(i=0;i<16;i++){
outkey[i]=inkey[i];
}
for(i=0;i<10;i++){//一共10轮
for(t=0;t<4;t++){//每一轮扩展出来四个字
if(index%4==0){//
for(j=0;j<4;j++){
temp_4[j]=outkey[(index-4)*4+j];
temp_1[j]=outkey[(index-1)*4+j];
}
temp=temp_1[0];
//字循环
for(k=0;k<4;k++){
if(k==3){
temp_1[k]=temp;
}else{
temp_1[k]=temp_1[k+1];
}
}
//字节代换
for(k=0;k<4;k++){
temp_1[k]=sbox[temp_1[k]];
}
//轮常量异或
temp_or[0]=array[i];
//最终三个一维矩阵异或
for(k=0;k<4;k++){
outkey[index*4+k]=temp_4[k]^temp_1[k]^temp_or[k];
}
}else{
for(k=0;k<4;k++){
outkey[index*4+k]=outkey[(index-4)*4+k]^outkey[(index-1)*4+k];
}
}
index++;
}
}
}
首先将inkey直接赋值到outkey当中去，然后开始扩展。若index%4!=0，则直接拿index-4的列和index-1的列相互异或就得到新扩展得到的列。若index%4==0则对于index-1的列需要分三步进行。1:字循环,即将这一列(逆时针旋转90度后)左移一位即可。2：字节代换,即将这一列的值作为地址映射到sbox表中。这里我的sbox是一维的，若你的是二维的需要分别取出高四位和低四位来映射到sbox中。3：轮常量异或,这个矩阵根据轮次来得到。第一轮位[0x10,0x00,0x00,0x00],后三个字节都是0x00，变的只是第一个字节。
4:轮密钥加
/*AddRoundKey 轮密钥加 col初始为明文 key:经过10次扩展的密钥*/
static void AddRoundKey(unsigned char *col,
unsigned char *key, int round)
{
int i;
for(i=0;i<16;i++){
col[i]=col[i]^key[16*round+i];
}
}
即为将col(抽象看来是一个4X4矩阵)与对应的轮次的密钥(也是一个4X4矩阵)对应位置做异或操作即可。
5：字节代换
/*SubBytes 字节替换*/
static void SubBytes(unsigned char *col)
{
int i;
for(i=0;i<16;i++){
col[i]=sbox[col[i]];
}
}
将col这个矩阵对应位置的值映射到sbox即可。
6：行移位
void shift(unsigned char *rol)
{
unsigned char temp;
int k;
temp=rol[0];
//字循环
for(k=0;k<4;k++){
if(k==3){
rol[k]=temp;
}else{
rol[k]=rol[k+1];
}
}
}
/*ShiftRows:Shifts the entire block 行移位*/
static void ShiftRows(unsigned char *col)
{
int i,j,k;
unsigned char mov[4]={0x00};
for(i=1;i<=3;i++){//有三行需要移动
for(k=0;k<4;k++){//选择出来要移动的那一行
mov[k]=col[i+4*k];
}
for(j=0;j<i;j++){//移动的行需要移动几次
shift(mov);
}
for(k=0;k<4;k++){//将移动过后的行重新赋值
col[i+4*k]=mov[k];
}
}
}
col这个矩阵第0行不做操作，第1行向左移动1次，第二行移动2次，第三行移动三次。
shift函数即为向左移动一次。
7:列混淆
这里特别注意一下是左乘那个固定的矩阵
/*MixColumns: Process the entire block 列混淆*/
static void MixColumns(unsigned char *col)
{
int i,j,k;
unsigned char constant[4][4]={{0x02,0x03,0x01,0x01},
{0x01,0x02,0x03,0x01},
{0x01,0x01,0x02,0x03},
{0x03,0x01,0x01,0x02}};
unsigned char temp[4][4];
unsigned char res[4][4];
k=0;
for(i=0;i<4;i++){
for(j=0;j<4;j++){
temp[j][i]=col[k];
k++;
}
}
for (i = 0; i < 4; i++) {
for (j = 0; j < 4; j++) {
res[i][j]=0x00;
for (k = 0; k < 4; k++) {
res[i][j] =res[i][j]^(multiply(constant[i][k],temp[k][j]));
}
}
}
k=0;
for(i=0;i<4;i++){
for(j=0;j<4;j++){
col[k]=res[j][i];
k++;
}
}
}
这里的乘法就要用到步骤二了。
这里我是将col这个一维转化位二维矩阵来和那个固定矩阵来做乘法了，感觉比较方便实现。
8：整体代码
#include <stdio.h>
/*The AES Substitution Table*/
static const unsigned char sbox[256] = {
0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, 0xf2, 0x6b, 0x6f, 0xc5,
0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, 0xfe, 0xd7, 0xab, 0x76,
0xca, 0x82, 0xc9, 0x7d, 0xfa, 0x59, 0x47, 0xf0,
0xad, 0xd4, 0xa2, 0xaf, 0x9c, 0xa4, 0x72, 0xc0,
0xb7, 0xfd, 0x93, 0x26, 0x36, 0x3f, 0xf7, 0xcc,
0x34, 0xa5, 0xe5, 0xf1, 0x71, 0xd8, 0x31, 0x15,
0x04, 0xc7, 0x23, 0xc3, 0x18, 0x96, 0x05, 0x9a,
0x07, 0x12, 0x80, 0xe2, 0xeb, 0x27, 0xb2, 0x75,
0x09, 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a, 0xa0,
0x52, 0x3b, 0xd6, 0xb3, 0x29, 0xe3, 0x2f, 0x84,
0x53, 0xd1, 0x00, 0xed, 0x20, 0xfc, 0xb1, 0x5b,
0x6a, 0xcb, 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, 0xcf,
0xd0, 0xef, 0xaa, 0xfb, 0x43, 0x4d, 0x33, 0x85,
0x45, 0xf9, 0x02, 0x7f, 0x50, 0x3c, 0x9f, 0xa8,
0x51, 0xa3, 0x40, 0x8f, 0x92, 0x9d, 0x38, 0xf5,
0xbc, 0xb6, 0xda, 0x21, 0x10, 0xff, 0xf3, 0xd2,
0xcd, 0x0c, 0x13, 0xec, 0x5f, 0x97, 0x44, 0x17,
0xc4, 0xa7, 0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73,
0x60, 0x81, 0x4f, 0xdc, 0x22, 0x2a, 0x90, 0x88,
0x46, 0xee, 0xb8, 0x14, 0xde, 0x5e, 0x0b, 0xdb,
0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c,
0xc2, 0xd3, 0xac, 0x62, 0x91, 0x95, 0xe4, 0x79,
0xe7, 0xc8, 0x37, 0x6d, 0x8d, 0xd5, 0x4e, 0xa9,
0x6c, 0x56, 0xf4, 0xea, 0x65, 0x7a, 0xae, 0x08,
0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, 0xa6, 0xb4, 0xc6,
0xe8, 0xdd, 0x74, 0x1f, 0x4b, 0xbd, 0x8b, 0x8a,
0x70, 0x3e, 0xb5, 0x66, 0x48, 0x03, 0xf6, 0x0e,
0x61, 0x35, 0x57, 0xb9, 0x86, 0xc1, 0x1d, 0x9e,
0xe1, 0xf8, 0x98, 0x11, 0x69, 0xd9, 0x8e, 0x94,
0x9b, 0x1e, 0x87, 0xe9, 0xce, 0x55, 0x28, 0xdf,
0x8c, 0xa1, 0x89, 0x0d, 0xbf, 0xe6, 0x42, 0x68,
0x41, 0x99, 0x2d, 0x0f, 0xb0, 0x54, 0xbb, 0x16,
};
//用于计算乘积
unsigned char XTIME(unsigned char x)
{
if(x&0x80){
return (x<<1)^0x1b;
}else{
return x<<1;
}
}
unsigned char multiply(unsigned char a,unsigned char b)
{
unsigned char array[10]={a};
int i;
for(i=1;i<8;i++){
array[i]=XTIME(array[i-1]);
}
unsigned char res=0x00;
for(i=0;i<8;i++){
res=res^((b>>i)&0x01)*array[i];
}
return res;
}
/*SubBytes 字节替换*/
static void SubBytes(unsigned char *col)
{
int i;
for(i=0;i<16;i++){
col[i]=sbox[col[i]];
}
}
void shift(unsigned char *rol)
{
unsigned char temp;
int k;
temp=rol[0];
//字循环
for(k=0;k<4;k++){
if(k==3){
rol[k]=temp;
}else{
rol[k]=rol[k+1];
}
}
}
/*ShiftRows:Shifts the entire block 行移位*/
static void ShiftRows(unsigned char *col)
{
int i,j,k;
unsigned char mov[4]={0x00};
for(i=1;i<=3;i++){//有三行需要移动
for(k=0;k<4;k++){//选择出来要移动的那一行
mov[k]=col[i+4*k];
}
for(j=0;j<i;j++){//移动的行需要移动几次
shift(mov);
}
for(k=0;k<4;k++){//将移动过后的行重新赋值
col[i+4*k]=mov[k];
}
}
}
/*MixColumns: Process the entire block 列混淆*/
static void MixColumns(unsigned char *col)
{
int i,j,k;
unsigned char constant[4][4]={{0x02,0x03,0x01,0x01},
{0x01,0x02,0x03,0x01},
{0x01,0x01,0x02,0x03},
{0x03,0x01,0x01,0x02}};
unsigned char temp[4][4];
unsigned char res[4][4];
k=0;
for(i=0;i<4;i++){
for(j=0;j<4;j++){
temp[j][i]=col[k];
k++;
}
}
for (i = 0; i < 4; i++) {
for (j = 0; j < 4; j++) {
res[i][j]=0x00;
for (k = 0; k < 4; k++) {
res[i][j] =res[i][j]^(multiply(constant[i][k],temp[k][j]));
}
}
}
k=0;
for(i=0;i<4;i++){
for(j=0;j<4;j++){
col[k]=res[j][i];
k++;
}
}
}
/*AddRoundKey 轮密钥加 col初始为明文 key:已经扩展的密钥*/
static void AddRoundKey(unsigned char *col,
unsigned char *key, int round)
{
int i;
for(i=0;i<16;i++){
col[i]=col[i]^key[16*round+i];
}
}
/*Encrypt a single block with Nr Rounds(10,12,14)*/
void AesEncrypt(unsigned char *blk, unsigned char *key, int Nr)
{
int x;
AddRoundKey(blk, key, 0);
for (x = 1; x <= (Nr - 1); x++){
SubBytes(blk);
ShiftRows(blk);
MixColumns(blk);
AddRoundKey(blk, key, x);
}
SubBytes(blk);
ShiftRows(blk);
AddRoundKey(blk, key, Nr);
}
//密钥扩展
void ScheduleKey(unsigned char *inkey,
unsigned char *outkey, int Nk, int Nr)
{
int i,index=4,j,k,t;//index用于指示密钥扩展到哪一列了
unsigned char temp_4[4];//i-4的那四个字节
unsigned char temp_1[4];//i-1的那四个字节
unsigned char temp;
unsigned char temp_or[4]={0x00};
unsigned char array[10]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80,0x1b,0x36};
for(i=0;i<16;i++){
outkey[i]=inkey[i];
}
for(i=0;i<10;i++){//一共10轮
for(t=0;t<4;t++){//每一轮扩展出来四个字
if(index%4==0){//
for(j=0;j<4;j++){
temp_4[j]=outkey[(index-4)*4+j];
temp_1[j]=outkey[(index-1)*4+j];
}
temp=temp_1[0];
//字循环
for(k=0;k<4;k++){
if(k==3){
temp_1[k]=temp;
}else{
temp_1[k]=temp_1[k+1];
}
}
//字节代换
for(k=0;k<4;k++){
temp_1[k]=sbox[temp_1[k]];
}
//轮常量异或
temp_or[0]=array[i];
//最终三个一维矩阵异或
for(k=0;k<4;k++){
outkey[index*4+k]=temp_4[k]^temp_1[k]^temp_or[k];
}
}else{
for(k=0;k<4;k++){
outkey[index*4+k]=outkey[(index-4)*4+k]^outkey[(index-1)*4+k];
}
}
index++;
}
}
}
void main(void){
unsigned char pt[17],key[17];
unsigned char skey[15 * 16];
int i;
scanf("%s", pt);
scanf("%s", key);
ScheduleKey(key, skey, 4, 10);
AesEncrypt(pt, skey, 10);
for (i = 0; i < 16; i++) {
printf("%02x ", pt[i]);
}
}
9:测试结果
输入：zhang123456789ab zhang123456789ab
输出：af 2b db 30 57 88 7d 0c 38 10 6b 43 75 45 7b 80
输入：python123456789a ba987654321zhang
输出：10 db af 84 8e b8 23 ff 4a 55 e4 bd 3a b4 8a 1a
总结
博客排版熟悉中。
可能存在错误，欢迎指出。若有更优解，请@我。
希望这篇文章可以帮助到你，随缘更新。
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