深入解析AES加密算法：源码剖析与实现探讨
随着信息技术的飞速发展，数据安全成为人们越来越关注的问题。在众多加密算法中，高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）因其高效的加密速度和强大的安全性而被广泛应用于各种领域。本文将对AES加密算法的源码进行剖析，帮助读者深入了解其工作原理和实现方法。
一、AES加密算法简介
AES是一种对称密钥加密算法，由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年采纳为联邦信息处理标准。AES加密算法的密钥长度可以是128位、192位或256位，分别对应AES-128、AES-192和AES-256。本文将以AES-128为例进行源码剖析。
二、AES加密算法的源码剖析
AES加密算法的源码主要由以下几个部分组成：
1.加密函数（AddRoundKey）
加密函数的主要作用是将密钥与数据块进行异或操作，实现密钥的扩散。以下是AES-128加密函数的源码示例：
c
void AddRoundKey(uint8_t *state, uint8_t *roundKey) {
for (int i = 0; i < 16; i++) {
state[i] ^= roundKey[i];
}
}
2.列混合（SubBytes）
列混合函数通过对每个字节进行非线性变换，增加算法的复杂度。以下是AES-128列混合函数的源码示例：
c
void SubBytes(uint8_t *state) {
for (int i = 0; i < 16; i++) {
state[i] = SBox[state[i]];
}
}
3.行移位（ShiftRows）
行移位函数将数据块中的字节进行循环移位，增强算法的扩散性。以下是AES-128行移位函数的源码示例：
`c
void ShiftRows(uint8t *state) {
uint8t temp;
temp = state[1];
state[1] = state[5];
state[5] = state[9];
state[9] = state[13];
state[13] = temp;
temp = state[2];
state[2] = state[10];
state[10] = state[6];
state[6] = state[14];
state[14] = temp;
temp = state[3];
state[3] = state[15];
state[15] = state[11];
state[11] = state[7];
state[7] = temp;
temp = state[0];
state[0] = state[4];
state[4] = temp;}
`
4.密钥扩展（KeyExpansion）
密钥扩展函数将输入的密钥扩展为128位、192位或256位，生成轮密钥。以下是AES-128密钥扩展函数的源码示例：
`c
void KeyExpansion(uint8_t key, uint8_t roundKey) {
for (int i = 0; i < 4; i++) {
roundKey[i * 4] = key[i * 4];
roundKey[i * 4 + 1] = key[i * 4 + 1];
roundKey[i * 4 + 2] = key[i * 4 + 2];
roundKey[i * 4 + 3] = key[i * 4 + 3];
}
for (int i = 4; i < 16; i++) {
uint8_t t = roundKey[(i - 1) * 4];
roundKey[i * 4] = roundKey[(i - 4) * 4];
roundKey[i * 4 + 1] = roundKey[(i - 4 + 1) * 4];
roundKey[i * 4 + 2] = roundKey[(i - 4 + 2) * 4];
roundKey[i * 4 + 3] = roundKey[(i - 4 + 3) * 4];
t = SubWord(t);
t = RotWord(t);
roundKey[i * 4] ^= t;
roundKey[i * 4 + 1] ^= rcon[i / 4];
roundKey[i * 4 + 2] ^= roundKey[(i - 1) * 4];
roundKey[i * 4 + 3] ^= roundKey[(i - 1) * 4 + 1];
}}
`
5.轮加密（Round）
轮加密函数是AES加密算法的核心，包括列混合、行移位、密钥扩展和轮密钥加。以下是AES-128轮加密函数的源码示例：
c
void Round(uint8_t *state, uint8_t *roundKey) {
AddRoundKey(state, roundKey);
SubBytes(state);
ShiftRows(state);
MixColumns(state);
AddRoundKey(state, roundKey);
}
6.加密过程（Encryption）
加密过程包括初始轮和最终轮，初始轮不进行列混合和密钥扩展，最终轮不进行列混合。以下是AES-128加密过程的源码示例：
`c
void Encryption(uint8t *input, uint8t *key, uint8t *output) {
uint8t state[16];
uint8_t roundKey[16 * 11];
for (int i = 0; i < 16; i++) {
state[i] = input[i];
}
KeyExpansion(key, roundKey);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Round(state, roundKey + i * 16);
}
AddRoundKey(state, roundKey + 10 * 16);
SubBytes(state);
ShiftRows(state);
AddRoundKey(state, roundKey);
for (int i = 0; i < 16; i++) {
output[i] = state[i];
}}
`
三、总结
通过对AES加密算法源码的剖析，我们了解了其工作原理和实现方法。AES加密算法因其高效的加密速度和强大的安全性而被广泛应用于各种领域。在实际应用中，可以根据具体需求选择合适的密钥长度和加密模式，以满足不同的安全需求。