简介：AES（高级加密标准）是一种广泛使用的对称加密算法，在C#中实现AES加密解密可以利用.NET框架提供的System.Security.Cryptography命名空间。本课程设计项目实战提供了AES加密解密的C#实现代码，包括密钥扩展、数据分块、加密/解密循环和CBC模式等关键步骤的详细讲解。通过实践任务，学生将掌握AES算法的实际应用，提升在数据安全领域的技能。
1. AES加密解密算法简介
AES（高级加密标准）是一种对称块密码算法，广泛用于数据加密和解密。它由美国国家标准与技术研究所（NIST）于2001年发布，并被广泛认为是目前最安全的加密算法之一。
AES算法使用128位、192位或256位密钥，并对128位数据块进行加密和解密。它采用迭代轮次结构，每个轮次包括一系列子变换，包括字节代换、行移位和列混合。这些变换确保了算法的安全性，并使其难以破解。
2.1 AES加密解密C#代码示例
// AES加密方法
public static byte[] Encrypt(byte[] plainText, byte[] key)
{
// 创建AES加密器
AesCryptoServiceProvider aes = new AesCryptoServiceProvider();
aes.Key = key;
aes.Mode = CipherMode.CBC;
aes.Padding = PaddingMode.PKCS7;
// 创建加密器
ICryptoTransform encryptor = aes.CreateEncryptor();
// 加密数据
byte[] encryptedData = encryptor.TransformFinalBlock(plainText, 0, plainText.Length);
// 返回加密后的数据
return encryptedData;
}
// AES解密方法
public static byte[] Decrypt(byte[] encryptedData, byte[] key)
{
// 创建AES解密器
AesCryptoServiceProvider aes = new AesCryptoServiceProvider();
aes.Key = key;
aes.Mode = CipherMode.CBC;
aes.Padding = PaddingMode.PKCS7;
// 创建解密器
ICryptoTransform decryptor = aes.CreateDecryptor();
// 解密数据
byte[] decryptedData = decryptor.TransformFinalBlock(encryptedData, 0, encryptedData.Length);
// 返回解密后的数据
return decryptedData;
}
代码逻辑逐行解读
加密方法 Encrypt
-
AesCryptoServiceProvider aes = new AesCryptoServiceProvider();：创建AES加密器。 -
aes.Key = key;：设置加密密钥。 -
aes.Mode = CipherMode.CBC;：设置加密模式为CBC模式。 -
aes.Padding = PaddingMode.PKCS7;：设置填充模式为PKCS7模式。 -
ICryptoTransform encryptor = aes.CreateEncryptor();：创建加密器。 -
byte[] encryptedData = encryptor.TransformFinalBlock(plainText, 0, plainText.Length);：加密数据。 -
return encryptedData;：返回加密后的数据。
解密方法 Decrypt
-
AesCryptoServiceProvider aes = new AesCryptoServiceProvider();：创建AES解密器。 -
aes.Key = key;：设置解密密钥。 -
aes.Mode = CipherMode.CBC;：设置解密模式为CBC模式。 -
aes.Padding = PaddingMode.PKCS7;：设置填充模式为PKCS7模式。 -
ICryptoTransform decryptor = aes.CreateDecryptor();：创建解密器。 -
byte[] decryptedData = decryptor.TransformFinalBlock(encryptedData, 0, encryptedData.Length);：解密数据。 -
return decryptedData;：返回解密后的数据。
参数说明
| 参数 | 类型 | 说明 | |---|---|---| | plainText | byte[] | 待加密的明文数据 | | key | byte[] | 加密密钥 | | encryptedData | byte[] | 加密后的密文数据 |
3. AES密钥扩展
3.1 密钥扩展算法概述
AES密钥扩展算法是一种将初始密钥扩展为多个子密钥的过程，这些子密钥用于每一轮加密/解密操作。AES密钥扩展算法基于Rijndael密钥调度，它是一种迭代算法，使用一个密钥调度函数来生成每个子密钥。
密钥扩展算法的输入是一个初始密钥，长度可以是128位、192位或256位。算法的输出是一组子密钥，数量取决于密钥的长度：
- 128位密钥：11个子密钥
- 192位密钥：13个子密钥
- 256位密钥：15个子密钥
3.2 密钥扩展过程详解
密钥扩展算法的过程可以分为以下步骤：
- 密钥字扩展： 将初始密钥扩展为一个密钥字数组，长度为4倍于密钥长度。
- 密钥字轮换： 将密钥字数组循环左移，每个密钥字轮换的位数等于其在数组中的索引。
- 密钥字异或： 将轮换后的密钥字与一个常量数组异或，该常量数组称为轮常数。
- 密钥字变换： 将异或后的密钥字进行S盒变换，然后进行轮移操作。
- 子密钥生成： 将变换后的密钥字分为4个部分，每个部分为32位，并将其作为子密钥。
以下是一个密钥扩展算法的伪代码示例：
def key_expansion(key):
# 密钥字扩展
key_words = [int(byte) for byte in key]
key_words = key_words + [0] * (4 * (Nk - len(key_words)))
# 密钥字轮换
for i in range(1, Nk):
key_words[i] = key_words[i - 1] << 1
if key_words[i] & 0x100 != 0:
key_words[i] ^= 0x1B
# 密钥字异或
for i in range(Nk, Nb * (Nr + 1)):
key_words[i] = key_words[i - Nk] ^ round_constants[i // Nk]
# 密钥字变换
for i in range(Nk, Nb * (Nr + 1)):
key_words[i] = sbox[key_words[i] >> 4] << 4 | sbox[key_words[i] & 0xF]
# 子密钥生成
subkeys = []
for i in range(0, Nb * (Nr + 1)):
subkeys.append(key_words[i * 4:i * 4 + 4])
return subkeys
参数说明
-
key：初始密钥，长度可以是128位、192位或256位。 -
Nk：密钥长度（以32位为单位），可以是4、6或8。 -
Nb：状态块长度（以32位为单位），始终为4。 -
Nr：加密轮数，取决于密钥长度：128位密钥为10轮，192位密钥为12轮，256位密钥为14轮。 -
round_constants：轮常数数组，用于密钥字异或操作。 -
sbox：S盒，用于密钥字变换操作。
代码逻辑分析
密钥扩展算法的代码逻辑可以分为以下几个部分：
- 密钥字扩展： 将初始密钥扩展为一个密钥字数组，长度为4倍于密钥长度。
- 密钥字轮换： 将密钥字数组循环左移，每个密钥字轮换的位数等于其在数组中的索引。
- 密钥字异或： 将轮换后的密钥字与一个常量数组异或，该常量数组称为轮常数。
- 密钥字变换： 将异或后的密钥字进行S盒变换，然后进行轮移操作。
- 子密钥生成： 将变换后的密钥字分为4个部分，每个部分为32位，并将其作为子密钥。
表格：AES密钥扩展算法轮常数
| 轮数 | 轮常数 | |---|---| | 0 | 0x01000000 | | 1 | 0x02000000 | | 2 | 0x04000000 | | 3 | 0x08000000 | | 4 | 0x10000000 | | 5 | 0x20000000 | | 6 | 0x40000000 | | 7 | 0x80000000 | | 8 | 0x1B000000 | | 9 | 0x36000000 | | 10 | 0x6C000000 | | 11 | 0xD8000000 | | 12 | 0xAB000000 | | 13 | 0x4D000000 | | 14 | 0x9A000000 |
Mermaid流程图：AES密钥扩展算法流程
graph LR
subgraph 密钥字扩展
key[初始密钥] --> key_words[密钥字数组]
end
subgraph 密钥字轮换
key_words[密钥字数组] --> key_words[轮换后的密钥字数组]
end
subgraph 密钥字异或
key_words[轮换后的密钥字数组] --> key_words[异或后的密钥字数组]
end
subgraph 密钥字变换
key_words[异或后的密钥字数组] --> key_words[变换后的密钥字数组]
end
subgraph 子密钥生成
key_words[变换后的密钥字数组] --> subkeys[子密钥]
end
4. AES数据分块
4.1 数据分块原理
AES算法对数据进行加密时，将数据分成固定长度的块，每个块的大小为128位（16字节）。数据分块的目的是将较长的数据分解成较小的单元，以便于加密算法的处理。
4.2 数据分块过程
数据分块过程如下：
- 确定数据长度： 计算待加密数据的长度。
- 计算块数： 将数据长度除以块大小（16字节），得到块数。
- 填充数据： 如果数据长度不是块大小的整数倍，则需要在数据末尾填充字节。填充字节的值为填充字节的个数。
- 将数据分成块： 将数据分成长度为16字节的块，每个块称为数据块。
代码示例：
// 数据填充
public static byte[] PadData(byte[] data)
{
int padLength = 16 - (data.Length % 16);
byte[] paddedData = new byte[data.Length + padLength];
Array.Copy(data, paddedData, data.Length);
for (int i = data.Length; i < paddedData.Length; i++)
{
paddedData[i] = (byte)padLength;
}
return paddedData;
}
// 数据分块
public static byte[][] SplitDataIntoBlocks(byte[] data)
{
int blockCount = data.Length / 16;
byte[][] blocks = new byte[blockCount][];
for (int i = 0; i < blockCount; i++)
{
blocks[i] = new byte[16];
Array.Copy(data, i * 16, blocks[i], 0, 16);
}
return blocks;
}
逻辑分析：
-
PadData函数用于填充数据，确保数据长度为块大小的整数倍。 -
SplitDataIntoBlocks函数将数据分成长度为16字节的块。
表格：数据分块示例
| 原始数据 | 填充数据 | 数据块 | |---|---|---| | "Hello World" | "04040404" | "Hello World0404" | | "1234567890" | "060606" | "12345678900606" |
5. AES加密/解密循环
5.1 加密循环过程
AES加密循环主要包括以下步骤：
1. 初始轮变换
- 对明文进行初始轮变换，包括密钥异或和字节代换。
- 初始轮变换的密钥为密钥扩展的第一个轮密钥。
2. 循环轮变换
- 对于第i轮（i = 1, 2, ..., 9），执行以下操作：
- 行移位变换： 对数据块中的每一行进行循环移位。
- 列混合变换： 对数据块中的每一列进行列混合变换。
- 密钥加轮密钥： 将数据块与第i轮的轮密钥进行异或运算。
- 字节代换变换： 对数据块中的每一个字节进行字节代换变换。
3. 最终轮变换
- 对于第10轮，执行以下操作：
- 行移位变换： 对数据块中的每一行进行循环移位。
- 列混合变换： 对数据块中的每一列进行列混合变换。
- 密钥加轮密钥： 将数据块与第10轮的轮密钥进行异或运算。
4. 输出密文
- 经过10轮循环变换后，得到最终的密文。
代码示例：
public byte[] Encrypt(byte[] plaintext, byte[] key)
{
// 密钥扩展
byte[][] roundKeys = KeyExpansion(key);
// 初始轮变换
byte[] state = plaintext.ToArray();
AddRoundKey(state, roundKeys[0]);
SubBytes(state);
// 循环轮变换
for (int i = 1; i < 10; i++)
{
ShiftRows(state);
MixColumns(state);
AddRoundKey(state, roundKeys[i]);
SubBytes(state);
}
// 最终轮变换
ShiftRows(state);
MixColumns(state);
AddRoundKey(state, roundKeys[10]);
return state;
}
参数说明：
-
plaintext：明文数据 -
key：加密密钥 -
roundKeys：密钥扩展后的轮密钥
代码逻辑分析：
-
Encrypt方法接收明文数据和加密密钥，返回加密后的密文。 - 首先进行密钥扩展，生成11个轮密钥。
- 然后进行初始轮变换，包括密钥异或和字节代换。
- 接下来进行9轮循环轮变换，包括行移位、列混合、密钥加轮密钥和字节代换。
- 最后进行最终轮变换，包括行移位、列混合和密钥加轮密钥。
- 经过10轮循环变换后，得到最终的密文。
5.2 解密循环过程
AES解密循环与加密循环类似，但顺序相反，且轮密钥的顺序也相反。
1. 初始轮逆变换
- 对密文进行初始轮逆变换，包括密钥异或和逆字节代换。
- 初始轮逆变换的密钥为密钥扩展的最后一个轮密钥。
2. 循环轮逆变换
- 对于第i轮（i = 9, 8, ..., 1），执行以下操作：
- 逆行移位变换： 对数据块中的每一行进行逆循环移位。
- 逆列混合变换： 对数据块中的每一列进行逆列混合变换。
- 密钥加轮密钥： 将数据块与第i轮的轮密钥进行异或运算。
- 逆字节代换变换： 对数据块中的每一个字节进行逆字节代换变换。
3. 最终轮逆变换
- 对于第0轮，执行以下操作：
- 逆行移位变换： 对数据块中的每一行进行逆循环移位。
- 逆列混合变换： 对数据块中的每一列进行逆列混合变换。
- 密钥加轮密钥： 将数据块与第0轮的轮密钥进行异或运算。
4. 输出明文
- 经过10轮循环逆变换后，得到最终的明文。
代码示例：
public byte[] Decrypt(byte[] ciphertext, byte[] key)
{
// 密钥扩展
byte[][] roundKeys = KeyExpansion(key);
// 初始轮逆变换
byte[] state = ciphertext.ToArray();
AddRoundKey(state, roundKeys[10]);
InvSubBytes(state);
// 循环轮逆变换
for (int i = 9; i > 0; i--)
{
InvShiftRows(state);
InvMixColumns(state);
AddRoundKey(state, roundKeys[i]);
InvSubBytes(state);
}
// 最终轮逆变换
InvShiftRows(state);
InvMixColumns(state);
AddRoundKey(state, roundKeys[0]);
return state;
}
参数说明：
-
ciphertext：密文数据 -
key：解密密钥 -
roundKeys：密钥扩展后的轮密钥
代码逻辑分析：
-
Decrypt方法接收密文数据和解密密钥，返回解密后的明文。 - 首先进行密钥扩展，生成11个轮密钥。
- 然后进行初始轮逆变换，包括密钥异或和逆字节代换。
- 接下来进行9轮循环轮逆变换，包括逆行移位、逆列混合、密钥加轮密钥和逆字节代换。
- 最后进行最终轮逆变换，包括逆行移位、逆列混合和密钥加轮密钥。
- 经过10轮循环逆变换后，得到最终的明文。
6.1 CBC模式概述
CBC（Cipher Block Chaining）模式是一种分组密码模式，它通过将前一个明文块的加密结果与当前明文块进行异或操作，实现明文块之间的关联。这种模式可以增强加密的安全性，防止明文块被独立破解。
CBC模式的加密过程如下：
- 初始化一个初始向量（IV），IV是一个随机生成的比特串，用于与第一个明文块进行异或操作。
- 将明文分组成固定大小的块。
- 对第一个明文块进行加密，并与IV进行异或操作。
- 对后续的明文块，先与前一个密文块进行异或操作，然后再进行加密。
CBC模式的解密过程如下：
- 使用初始向量（IV）解密第一个密文块。
- 对后续的密文块，先进行解密，然后再与前一个密文块进行异或操作。
6.2 CBC模式加密/解密过程
加密过程：
public static byte[] EncryptCBC(byte[] plaintext, byte[] key, byte[] iv)
{
// 初始化 AES 加密器
AesCryptoServiceProvider aes = new AesCryptoServiceProvider();
aes.Key = key;
aes.IV = iv;
aes.Mode = CipherMode.CBC;
// 加密器进行加密
ICryptoTransform encryptor = aes.CreateEncryptor();
byte[] ciphertext = encryptor.TransformFinalBlock(plaintext, 0, plaintext.Length);
// 返回密文
return ciphertext;
}
解密过程：
public static byte[] DecryptCBC(byte[] ciphertext, byte[] key, byte[] iv)
{
// 初始化 AES 解密器
AesCryptoServiceProvider aes = new AesCryptoServiceProvider();
aes.Key = key;
aes.IV = iv;
aes.Mode = CipherMode.CBC;
// 解密器进行解密
ICryptoTransform decryptor = aes.CreateDecryptor();
byte[] plaintext = decryptor.TransformFinalBlock(ciphertext, 0, ciphertext.Length);
// 返回明文
return plaintext;
}
简介：AES（高级加密标准）是一种广泛使用的对称加密算法，在C#中实现AES加密解密可以利用.NET框架提供的System.Security.Cryptography命名空间。本课程设计项目实战提供了AES加密解密的C#实现代码，包括密钥扩展、数据分块、加密/解密循环和CBC模式等关键步骤的详细讲解。通过实践任务，学生将掌握AES算法的实际应用，提升在数据安全领域的技能。
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