密码学课程设计
密钥密钥扩展明文W[0] ~ W[3]明文轮密钥加变换逆列混淆变换逆S盒变换逆行移位变换最后一轮S盒变换第一轮行移位变换列混淆变换轮密钥加变换W[4] ~ W[7]逆列混淆变换轮密钥加变换逆S盒变换逆行移位变换第（）轮Nr-1S盒变换第（）轮行移位变换列混淆变换轮密钥加变换W[4(Nr-1)] ~ W[4Nr-1]逆列混淆变换轮密钥加变换逆S盒变换S盒变换最后一轮逆行移位变换行移位变换W[4Nr] ~ W[4(Nr+1)-1]轮密钥加变换轮密钥加变换第一轮Nr-1密文密文加密解密
图 3-1 AES加解密流程图
正向变换：正向字节代换变换就是一个简单的查表操作。AES的S盒由16x16字节组成的矩阵，包含了8位值所能表达256种可能的变换。State中每个字节按照如下方式映射为一个新的字节：字节的高4位作为行值，低4位作为列值，S盒中对应行列的元素作为输出。S是使用定义在GF(28)中的变换值来构成的，可以对付各种已知的可能攻击。
非线性的字节替代，单独处理每个字节：求该字节在有限域GF(28)上的乘法逆，\被映射为自身，即对于α∈GF(28)，求β∈GF(28)，使得α·β=β·α=1mod(x8+x4+x2+x+1)。
对上一步求得的乘法逆作仿射变换：yi=xi + x(i+4)mod8 + x(i+6)mod8 + x(i+7)mod8 + ci
(其中ci是6310即011000112的第i位），用矩阵表示为
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?y0??1?y1??0????y2??0????y3???0?y4??1????y5??1?y6??1?????y7????11111000??x0??0??x1??1?1111100??????0111110??x2??1??????0011111??x3??0??0001111??x4??0??????1000111??x5??0?1100011??x6??1??????1110001????x7????1??
（2）行移位变换
行位移操作作用于S盒的输出，其中，列的4个行螺旋的左移，即第0行左移0字节，第1行左移1字节，第2行左移2字节，第3行左移3字节，如下图所示。从该图中可以看出，这使得列完全进行了重排，即在移位后的每列中。都包含有未位移前每个列的一个字节。接下来就可以进行列内混合了。
（3）列混淆变换 逐列混合方法： b(x) = (03·x3 + 01·x2 + 01·x + 02)·a(x) mod(x4 + 1)
矩阵表示形式：
?b0??02?b1??01?????b2??01????b3??03030201010103020101??a0??a1?01????03??a2????02??a3?
其中FFmul为有限域GF(28)上的乘法，标准算法应该是循环8次（b与a的每一位相乘，结果相加），但这里只用到最低2位，解密时用到的逆列混淆也只用了低4位，所以在这里高4位的运算是多余的，只计算低4位。 轮密钥加变换
简单来说就是逐字节相加，有限域GF(28)上的加法是模2加法，即异或。
3-2 列混淆流程
（4）密钥扩展
AES加密解密过程中，每一轮都需要一个与输入分组具有相同长度的扩展密钥W[i]的参与。由于外部输入的加密密钥长度有限,所以在算法中要
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一个密钥扩展程序把外部密钥扩展成更长的比特串,以生成各轮的加密和解密密钥。
通过生成器产生Nr+1轮轮密钥，每个轮密钥由Nb个字组成，共有Nb(Nr+1)个字W[i]，i=0,1，??，Nb(Nr+1)-1。
图3-3 密钥扩展流程
3.3 实验代码如下： #include
unsigned char RoundKey[240],in[16], state[4][4]; unsigned char Key[32];
#define xtime(x) ((x<<1) ^ (((x>>7) & 1) * 0x1b))
#define Multiply(x,y) (((y & 1) * x) ^ ((y>>1 & 1) * xtime(x)) ^ ((y>>2 & 1) * xtime(xtime(x))) ^ ((y>>3 & 1) * xtime(xtime(xtime(x)))) ^ ((y>>4 & 1) * xtime(xtime(xtime(xtime(x))))))
int getSBoxValue(int num) {
int 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,
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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 };
return sbox[num]; }
int getSBoxInvert(int num) { int rsbox[256] = { 0x52, 0x09, 0x6a, 0xd5, 0x30, 0x36, 0xa5, 0x38, 0xbf, 0x40, 0xa3, 0x9e, 0x81, 0xf3, 0xd7, 0xfb , 0x7c, 0xe3, 0x39, 0x82, 0x9b, 0x2f, 0xff, 0x87, 0x34, 0x8e, 0x43, 0x44, 0xc4, 0xde, 0xe9, 0xcb , 0x54, 0x7b, 0x94, 0x32, 0xa6, 0xc2, 0x23, 0x3d, 0xee, 0x4c, 0x95, 0x0b, 0x42, 0xfa, 0xc3, 0x4e , 0x08, 0x2e, 0xa1, 0x66, 0x28, 0xd9, 0x24, 0xb2, 0x76, 0x5b, 0xa2, 0x49, 0x6d, 0x8b, 0xd1, 0x25
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, 0x72, 0xf8, 0xf6, 0x64, 0x86, 0x68, 0x98, 0x16, 0xd4, 0xa4, 0x5c, 0xcc, 0x5d, 0x65, 0xb6, 0x92 , 0x6c, 0x70, 0x48, 0x50, 0xfd, 0xed, 0xb9, 0xda, 0x5e, 0x15, 0x46, 0x57, 0xa7, 0x8d, 0x9d, 0x84 , 0x90, 0xd8, 0xab, 0x00, 0x8c, 0xbc, 0xd3, 0x0a, 0xf7, 0xe4, 0x58, 0x05, 0xb8, 0xb3, 0x45, 0x06 , 0xd0, 0x2c, 0x1e, 0x8f, 0xca, 0x3f, 0x0f, 0x02, 0xc1, 0xaf, 0xbd, 0x03, 0x01, 0x13, 0x8a, 0x6b
, 0x3a, 0x91, 0x11, 0x41, 0x4f, 0x67, 0xdc, 0xea, 0x97, 0xf2, 0xcf, 0xce, 0xf0, 0xb4, 0xe6, 0x73 , 0x96, 0xac, 0x74, 0x22, 0xe7, 0xad, 0x35, 0x85, 0xe2, 0xf9, 0x37, 0xe8, 0x1c, 0x75, 0xdf, 0x6e , 0x47, 0xf1, 0x1a, 0x71, 0x1d, 0x29, 0xc5, 0x89, 0x6f, 0xb7, 0x62, 0x0e, 0xaa, 0x18, 0xbe, 0x1b , 0xfc, 0x56, 0x3e, 0x4b, 0xc6, 0xd2, 0x79, 0x20, 0x9a, 0xdb, 0xc0, 0xfe, 0x78, 0xcd, 0x5a, 0xf4 , 0x1f, 0xdd, 0xa8, 0x33, 0x88, 0x07, 0xc7, 0x31, 0xb1, 0x12, 0x10, 0x59, 0x27, 0x80, 0xec, 0x5f , 0x60, 0x51, 0x7f, 0xa9, 0x19, 0xb5, 0x4a, 0x0d, 0x2d, 0xe5, 0x7a, 0x9f, 0x93, 0xc9, 0x9c, 0xef , 0xa0, 0xe0, 0x3b, 0x4d, 0xae, 0x2a, 0xf5, 0xb0, 0xc8, 0xeb, 0xbb, 0x3c, 0x83, 0x53, 0x99, 0x61 , 0x17, 0x2b, 0x04, 0x7e, 0xba, 0x77, 0xd6, 0x26, 0xe1, 0x69, 0x14, 0x63, 0x55, 0x21, 0x0c, 0x7d }; return rsbox[num]; }
int Rcon[255] = {
0x8d, 0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1b, 0x36, 0x6c, 0xd8, 0xab, 0x4d, 0x9a,
0x2f, 0x5e, 0xbc, 0x63, 0xc6, 0x97, 0x35, 0x6a, 0xd4, 0xb3, 0x7d, 0xfa, 0xef, 0xc5, 0x91, 0x39,
0x72, 0xe4, 0xd3, 0xbd, 0x61, 0xc2, 0x9f, 0x25, 0x4a, 0x94, 0x33, 0x66, 0xcc, 0x83, 0x1d, 0x3a,
0x74, 0xe8, 0xcb, 0x8d, 0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1b, 0x36, 0x6c, 0xd8,
0xab, 0x4d, 0x9a, 0x2f, 0x5e, 0xbc, 0x63, 0xc6, 0x97, 0x35, 0x6a, 0xd4, 0xb3, 0x7d, 0xfa, 0xef,
0xc5, 0x91, 0x39, 0x72, 0xe4, 0xd3, 0xbd, 0x61, 0xc2, 0x9f, 0x25, 0x4a, 0x94, 0x33, 0x66, 0xcc,
0x83, 0x1d, 0x3a, 0x74, 0xe8, 0xcb, 0x8d, 0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20,
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