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:

sn/16n%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 ii4;

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

iij=matrixi(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++)

matrixij=iij;

}

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

{

ai=ai-1<<1;

if (ai-255>0)

ai=ai^27;

ai=ai&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^aflag;

y=y-pow(2,flag);

}

for (int i=0; i<4;i++) //异或部分

for (int j=0;j<4;j++) aij=GMul(matrix0j,Coli0)^GMul(matrix1j,Coli1)^GMul(matrix2j,Coli2)^GMul(matrix3j,Coli3);//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_wij=ex_keyn\*4+j/pow(16,6-2*i);

ex_keyn\*4+j-=k_wij*pow(16,6-2*i);

}

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

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

matrixij=(matrixij^k_wij)&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。

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