深入解析AES加密算法：揭秘AES源码背后的技术

2025-01-06 00:44:52

随着信息技术的飞速发展，数据安全和隐私保护成为了社会各界关注的焦点。加密算法作为保障信息安全的核心技术，其重要性不言而喻。其中，高级加密标准（AES）作为现代加密算法的代表，被广泛应用于各个领域。本文将深入解析AES加密算法，带您领略AES源码背后的技术奥秘。

一、AES加密算法概述

AES（Advanced Encryption Standard）是一种基于密钥的对称加密算法，由比利时密码学家Vincent Rijmen和Joan Daemen共同设计。AES算法在2001年被美国国家标准与技术研究院（NIST）选为新的加密标准，取代了之前的DES算法。AES算法具有较高的安全性、高效的计算速度和灵活的密钥长度，被广泛应用于军事、金融、通信等领域。

二、AES加密算法的工作原理

AES算法采用分块加密的方式，将明文数据分成固定大小的块（128位），然后对每个块进行加密。以下是AES加密算法的主要步骤：

1.初始化密钥：将用户输入的密钥通过一定的变换方式转换为初始密钥。

2.初始化轮密钥：将初始密钥扩展为轮密钥，用于每轮加密。

3.加密过程：对每个数据块进行以下步骤： a. 列混合：对每个字节进行列混合操作，提高算法的扩散性； b. 字节替换：将每个字节替换为S-Box表中的值，增加算法的非线性； c. 行移位：将数据块中的行进行循环移位，增加算法的扩散性； d. 轮密钥加：将数据块与轮密钥进行异或运算。

4.重复加密过程：重复以上步骤，直到加密完成。

5.输出密文：输出加密后的数据块，即为密文。

三、AES源码解析

下面是一个简单的AES加密算法实现，供读者参考：

`c

include <stdio.h>

include <stdint.h>

define AESBLOCKSIZE 128

define AESKEYSIZE 256

void AddRoundKey(uint8t *state, const uint8t *roundKey) { for (int i = 0; i < AESBLOCKSIZE; ++i) { state[i] ^= roundKey[i]; } }

void SubBytes(uint8t *state) { for (int i = 0; i < AESBLOCKSIZE; ++i) { state[i] = AESSBOX[state[i]]; } }

void ShiftRows(uint8t *state) { uint8t temp[4]; temp[0] = state[1]; temp[1] = state[2]; temp[2] = state[3]; temp[3] = state[0];

state[0] = state[4];
state[1] = state[5];
state[2] = state[6];
state[3] = state[7];
state[4] = temp[0];
state[5] = temp[1];
state[6] = temp[2];
state[7] = temp[3];

}

void MixColumns(uint8t *state) { for (int i = 0; i < AESBLOCK_SIZE; ++i) { state[i] ^= (state[(i + 1) % AESBLOCKSIZE] << 1) | (state[(i + 2) % AESBLOCKSIZE] >> 7); state[(i + 1) % AESBLOCKSIZE] ^= (state[i] << 1) | (state[(i + 2) % AESBLOCKSIZE] >> 7); state[(i + 2) % AESBLOCKSIZE] ^= (state[i] << 1) | (state[(i + 3) % AESBLOCKSIZE] >> 7); state[(i + 3) % AESBLOCKSIZE] ^= (state[i] << 1) | (state[i] >> 7); } }

void InvShiftRows(uint8t *state) { uint8t temp[4]; temp[0] = state[0]; temp[1] = state[4]; temp[2] = state[8]; temp[3] = state[12];

state[0] = state[5];
state[4] = state[1];
state[8] = state[9];
state[12] = state[13];
state[1] = temp[0];
state[9] = temp[1];
state[13] = temp[2];
state[5] = temp[3];

}

void InvMixColumns(uint8t *state) { for (int i = 0; i < AESBLOCK_SIZE; ++i) { state[i] ^= (state[(i + 3) % AESBLOCKSIZE] << 1) | (state[(i + 2) % AESBLOCKSIZE] >> 7); state[(i + 3) % AESBLOCKSIZE] ^= (state[i] << 1) | (state[(i + 2) % AESBLOCKSIZE] >> 7); state[(i + 2) % AESBLOCKSIZE] ^= (state[i] << 1) | (state[(i + 1) % AESBLOCKSIZE] >> 7); state[(i + 1) % AESBLOCKSIZE] ^= (state[i] << 1) | (state[i] >> 7); } }

void KeyExpansion(uint8_t key, uint8_t expandedKey) { // ... (略去密钥扩展实现) }

void AESECBencrypt(uint8t *input, uint8t *output, const uint8t *key) { uint8t state[AESBLOCKSIZE]; uint8_t expandedKey[AESKEYSIZE];

KeyExpansion(key, expandedKey);
for (int i = 0; i < AES_BLOCK_SIZE; ++i) {
    state[i] = input[i];
}
AddRoundKey(state, expandedKey);
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
    SubBytes(state);
    ShiftRows(state);
    if (i < 9) {
        MixColumns(state);
    }
    AddRoundKey(state, expandedKey + i * AES_BLOCK_SIZE);
}
SubBytes(state);
ShiftRows(state);
AddRoundKey(state, expandedKey + 10 * AES_BLOCK_SIZE);
for (int i = 0; i < AES_BLOCK_SIZE; ++i) {
    output[i] = state[i];
}

}

int main() { // ... (略去示例代码) return 0; } `

以上代码展示了AES加密算法的核心部分，包括字节替换、行移位、列混合、轮密钥加等操作。在实际应用中，还需要实现密钥扩展、轮密钥生成等功能。

四、总结

AES加密算法作为现代加密技术的代表，具有较高的安全性、高效性和灵活性。本文通过解析AES加密算法的源码，使读者对AES的工作原理有了更深入的了解。在今后的学习和实践中，我们可以根据AES算法的特点，将其应用于各种实际场景，为信息安全保驾护航。