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发表于 2018-6-7 10:25:17 | 显示全部楼层
本帖最后由 区块链部落 于 2018-6-7 10:37 编辑

微信图片_20180524162734.jpg

AES是作为DES的替代标准出现的,全称Advanced Encryption Standard,即:高级加密标准。AES加密算法,经历了公开的选拔,最终2000年,由比利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen设计的Rijndael算法被选中,成为了AES标准。
AES明文分组长度为128位,即16个字节,密钥长度可以为16个字节、24个字节、或32个字节,即128位密钥、192位密钥、或256位密钥。

总体结构

AES中没有使用Feistel网络,其结构称为SPN结构。

和DES相同,AES也由多个轮组成,其中每个轮分为SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey 4个步骤,即:字节代替、行移位、列混淆和轮密钥加。根据密钥长度不同,所需轮数也不同,128位、192位、256位密钥,分别需要10轮、12轮和14轮。第1轮之前有一次AddRoundKey,即轮密钥加,可以视为第0轮;之后1至N-1轮,执行SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey;最后一轮仅包括:SubBytes、MixColumns、AddRoundKey。

AES总体结构示意图:
总体结构1.png

加密整体流程

加密的代码实现:
func encryptBlockGo(xk []uint32, dst, src []byte) {
        var s0, s1, s2, s3, t0, t1, t2, t3 uint32
        //按4x4矩阵排列
        s0 = uint32(src[0])<<24 | uint32(src[1])<<16 | uint32(src[2])<<8 | uint32(src[3])
        s1 = uint32(src[4])<<24 | uint32(src[5])<<16 | uint32(src[6])<<8 | uint32(src[7])
        s2 = uint32(src[8])<<24 | uint32(src[9])<<16 | uint32(src[10])<<8 | uint32(src[11])
        s3 = uint32(src[12])<<24 | uint32(src[13])<<16 | uint32(src[14])<<8 | uint32(src[15])

        // 第1次轮密钥加
        s0 ^= xk[0]
        s1 ^= xk[1]
        s2 ^= xk[2]
        s3 ^= xk[3]

        //nr为中间重复轮数
    //例如128位密钥,44字子密钥,此处为9轮
    //-2位去除开头和结尾轮
        nr := len(xk)/4 - 2
       
        //4表示已使用了4个字子密钥
        k := 4
        for r := 0; r < nr; r++ {
                //此处代码包括字节代替、行移位、列混淆、轮密钥加
                t0 = xk[k+0] ^ te0[uint8(s0>>24)] ^ te1[uint8(s1>>16)] ^ te2[uint8(s2>>8)] ^ te3[uint8(s3)]
                t1 = xk[k+1] ^ te0[uint8(s1>>24)] ^ te1[uint8(s2>>16)] ^ te2[uint8(s3>>8)] ^ te3[uint8(s0)]
                t2 = xk[k+2] ^ te0[uint8(s2>>24)] ^ te1[uint8(s3>>16)] ^ te2[uint8(s0>>8)] ^ te3[uint8(s1)]
                t3 = xk[k+3] ^ te0[uint8(s3>>24)] ^ te1[uint8(s0>>16)] ^ te2[uint8(s1>>8)] ^ te3[uint8(s2)]
                k += 4
                s0, s1, s2, s3 = t0, t1, t2, t3
        }

        //最后一轮仅包括字节代替、行移位、轮密钥加
    //此处为字节代替和行移位
        s0 = uint32(sbox0[t0>>24])<<24 | uint32(sbox0[t1>>16&0xff])<<16 | uint32(sbox0[t2>>8&0xff])<<8 | uint32(sbox0[t3&0xff])
        s1 = uint32(sbox0[t1>>24])<<24 | uint32(sbox0[t2>>16&0xff])<<16 | uint32(sbox0[t3>>8&0xff])<<8 | uint32(sbox0[t0&0xff])
        s2 = uint32(sbox0[t2>>24])<<24 | uint32(sbox0[t3>>16&0xff])<<16 | uint32(sbox0[t0>>8&0xff])<<8 | uint32(sbox0[t1&0xff])
        s3 = uint32(sbox0[t3>>24])<<24 | uint32(sbox0[t0>>16&0xff])<<16 | uint32(sbox0[t1>>8&0xff])<<8 | uint32(sbox0[t2&0xff])

        //轮密钥加
        s0 ^= xk[k+0]
        s1 ^= xk[k+1]
        s2 ^= xk[k+2]
        s3 ^= xk[k+3]
       
    //输出
        dst[0], dst[1], dst[2], dst[3] = byte(s0>>24), byte(s0>>16), byte(s0>>8), byte(s0)
        dst[4], dst[5], dst[6], dst[7] = byte(s1>>24), byte(s1>>16), byte(s1>>8), byte(s1)
        dst[8], dst[9], dst[10], dst[11] = byte(s2>>24), byte(s2>>16), byte(s2>>8), byte(s2)
        dst[12], dst[13], dst[14], dst[15] = byte(s3>>24), byte(s3>>16), byte(s3>>8), byte(s3)

密钥扩展

Nk表示初始密钥的字数,一个字为4个字节,以16字节初始密钥为例,初始密钥共计4个字。AES加密过程共计需Nk+7个子密钥,即4(Nk + 7)个字,以16字节初始密钥为例,共计需11个子密钥,44个字。其中前Nk个字作为种子密钥,由初始密钥填充。以16字节初始密钥为例,前4个字,由初始密钥填充。之后的每个字,W等于前边一个字W[i-1]与Nk个字之前的字W[i-Nk]异或。但是对于Nk整数倍位置的字,在异或之前先对W[i-1]做如下变换:字节循环移位、S盒变换,并异或轮常数。
密钥扩展示意图
总体结构2.jpg
func expandKeyGo(key []byte, enc, dec []uint32) {
        // Encryption key setup.
        var i int
        nk := len(key) / 4
        for i = 0; i < nk; i++ {
                //其中前Nk个字作为种子密钥,由初始密钥填充
        //以16字节初始密钥为例,前4个字,由初始密钥填充
                enc = uint32(key[4*i])<<24 | uint32(key[4*i+1])<<16 | uint32(key[4*i+2])<<8 | uint32(key[4*i+3])
        }
        for ; i < len(enc); i++ {
                t := enc[i-1]
                if i%nk == 0 {
                        //但是对于Nk整数倍位置的字,在异或之前先对W[i-1]做如下变换:字节循环移位、S盒变换,并异或轮常数
                        t = subw(rotw(t)) ^ (uint32(powx[i/nk-1]) << 24)
                } else if nk > 6 && i%nk == 4 {
                        t = subw(t)
                }
                //之后的每个字,W等于前边一个字W[i-1]与Nk个字之前的字W[i-Nk]异或
                enc = enc[i-nk] ^ t
        }

        //enc为加密子密钥组
    //dec为解密子密钥组,dec为enc逆序
        if dec == nil {
                return
        }
        n := len(enc)
        for i := 0; i < n; i += 4 {
                ei := n - i - 4
                for j := 0; j < 4; j++ {
                        x := enc[ei+j]
                        if i > 0 && i+4 < n {
                                x = td0[sbox0[x>>24]] ^ td1[sbox0[x>>16&0xff]] ^ td2[sbox0[x>>8&0xff]] ^ td3[sbox0[x&0xff]]
                        }
                        dec[i+j] = x
                }
        }
}
字节代替SubBytes

AES定义了一个S盒,它由16x16个字节组成的矩阵,包含了8位所能表示的256个数的一个置换表。AES的分组长度128位,即16字节,每个字节高4位作为行值、低4位作为列值,从S盒中查找指定行、列的值作为输出。AES输入的16个字节,每个字节按上述方式映射为新的字节,即字节代替。

行移位ShiftRows

AES输入的16个字节组成4x4字节矩阵,行移位即:第1行保持不变,第2行循环左移1个字节,第3行循环左移2个字节,第4行循环左移3个字节。逆向行移位为后3行做行移位的反向操作,如第2行循环右移1个字节,其他行类似处理。
行移位示意图如下
总体结构3.jpg

列混淆MixColumns

列混淆和逆向列混淆,实际上是使用乘法矩阵,但是其加法和乘法均为定义在有限域上的加法和乘法。
如下为正向列混淆:
总体结构4.jpg
如下为逆向列混淆:
总体结构5.jpg

轮密钥加AddRoundKey
轮密钥加,即128位输入与128位轮密钥做异或运算。

动画演示AES
动画演示AES.png


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