密码学--AES

一、实验目的

1、完成AES算法中1轮加密和解密操作

2、掌握AES的4个基本处理步骤

3、理解对称加密算法的“对称”思想

 二、实验内容

1、题目内容描述

（1）利用C语言实现字节代换和逆向字节代换，字节查S盒代换

（2）利用C语言实现行移位和逆向行移位，字节行循环移位

（3）利用C语言实现列混合和逆向列混合，字节矩阵乘法

（4）利用C语言实现轮密钥加，异或

（5）输入文件名，读取明文文件，分组实现AES加密（一轮，分组填充时采用空格），将密文存储在cipher.txt 中。

（6）读取cipher.txt，实现AES解密（一轮）

（实现GF(28)上的乘法计算，完成一个明文分组的加解密；密钥固定为"1234567890123456"）

1. 关键代码的设计、实现与执行

①.首先列出S盒和逆S和的二维数组，也可以是一维的，这个可以自己去网上复制，也可以手动：

②．在S盒创建好的基础上，将明文进行分组，和希尔密码很像，在不足4*4的矩阵时进行补足，在此仍然使用的是X进行填补，关键代码如下：

 if (m % msize)//补足

        for (int i = 0;i<msize-m%msize;i++)

            plain+='X';//用X补足

③．字节代换就是在第一步创建的S盒中查询对应的十六进制的数，做出替换就可以了，直接return（其中S[][]就是建立的S盒，n表示相关明文），而逆字节代换相同的方法进行查询，只是查询的从对象从S盒变成了逆S盒，关键代码如下：

s[n/16][n%16];

④．行位移就是在第i行整体向左移i个，而对于逆行位移就是在第i行整体向右移i个，关键代码部分如下：

 for (int i=1;i<4;i++) {

        int ii[4];

        for (int j=0;j<4;j++)

            ii[j]=matrix[i][(4+j-d*i)%4];//行位移传进去的d=-1，而逆行位移只是将参数d改为了1

        for (int j=0; j<4; j++)

            matrix[i][j]=ii[j];

}

⑤．列混合是用固定矩阵去左乘输入数据的每列，由于列是不止一个元素的，所以每次乘得的数要进行相加，但是在密码学中，就是将得到的数值进行异或，而同样的逆向列混合就是同样用该列去乘该固定矩阵的逆矩阵，逆矩阵在前面的实验中做过，只是将二阶矩阵换成了四阶矩阵，此处需要用到线性代数的知识，关键代码如下：

 for (int i=1;i<8;i++) //有限域上的乘法部分

{

        a[i]=a[i-1]<<1;

        if (a[i]-255>0)

            a[i]=a[i]^27;

        a[i]=a[i]&0xff;

    }

    int z=0;

    while (y!=0) {

        int flag=y&(~y+1);

        for (int i=0;i<8;i++)

            if ((flag>>i)==1)

                flag=i;

        z=z^a[flag];

        y=y-pow(2,flag);

    }

for (int i=0; i<4;i++)//异或部分

        for (int j=0;j<4;j++)     a[i][j]=GMul(matrix[0][j],Col[i][0])^GMul(matrix[1][j],Col[i][1])^GMul(matrix[2][j],Col[i][2])^GMul(matrix[3][j],Col[i][3]);//将得到的数进行异或

⑥．轮密钥加密，就是将输入矩阵和密钥矩阵进行按位异或，关键代码如下：

for (int i=0;i<4;i++)

        for (int j=0;j<4;j++) {

            k_w[i][j]=ex_key[n*4+j]/pow(16,6-2*i);

            ex_key[n*4+j]-=k_w[i][j]*pow(16,6-2*i);

        }

    for (int i=0;i<4;i++)

        for (int j=0;j<4;j++)

            matrix[i][j]=(matrix[i][j]^k_w[i][j])&0xff;

由于文件的使用操作在实验1和实验2中都由，故不做过多赘述，结果截图如下：

1. 实验结果分析

根据上述结果，可以看到空格以及符号也会被算作明文的一个部分，也会占用矩阵的一个位置，并也会对它进行加密解密；而且明文不仅可以为字母也可以为汉字，在最后的解密得到的明文仍然有在明文分组时补足的X，当然也可以去掉，此处只是没有去掉补足的X，方便观察补足情况。

三、实验思考

1、实验过程总结

在实验过程中，加强了对AES加密每个环节（字节代换，行位移，列混合，轮密钥加）的理解，同时认识到了计算机处理和人工处理数据的差别；在此过程中也出现了很多问题，如最开始不知道异或操作怎么实现，经百度后发现^符号即可，其次是在列混合部分也是不知如何下手，在反复观看视频，理解深层含义并积累相关知识后得以实现。