AES算法源码解析：深入浅出理解加密技术的核心

2025-01-21 06:21:04

随着信息技术的飞速发展，数据安全成为了一个至关重要的议题。加密技术作为保障数据安全的重要手段，在各个领域都得到了广泛应用。AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）算法作为当前最流行的对称加密算法之一，其源码的解析对于理解加密技术具有重要意义。本文将深入浅出地解析AES算法的源码，帮助读者更好地理解这一加密技术的核心。

一、AES算法简介

AES算法是由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年选定的加密标准，用于保护敏感数据。AES算法具有以下特点：

1.对称加密：加密和解密使用相同的密钥。 2.高安全性：经过多次迭代，AES算法具有极高的安全性。 3.高效性：AES算法的运行速度快，适合在嵌入式系统中使用。 4.可扩展性：AES算法可以处理不同长度的数据。

二、AES算法的源码结构

AES算法的源码主要由以下几个部分组成：

1.密钥扩展：将输入的密钥扩展为需要的子密钥。 2.加密过程：将明文通过一系列变换加密成密文。 3.解密过程：将密文通过一系列变换解密成明文。

以下是对AES算法源码的详细解析：

1.密钥扩展

密钥扩展是AES算法中最重要的部分之一。其主要目的是将输入的密钥扩展为需要的子密钥。以下是密钥扩展的源码示例：

`c void KeyExpansion(AES_KEY key, const uint8_t userKey, unsigned int keySize) { uint8_t * schedule = key->roundKey; unsigned int i, j, k;

// 初始化第一轮的子密钥
for (i = 0; i < keySize; i++)
{
    schedule[i] = userKey[i];
}
// 扩展子密钥
for (i = keySize; i < (AES_BLOCK_SIZE * (AES_MAXNR + 1)); i++)
{
    uint8_t temp[4];
    // 复制前一个子密钥
    for (j = 0; j < 4; j++)
    {
        temp[j] = schedule[(i - 1) * 4 + j];
    }
    // 如果i是AES_BLOCK_SIZE的倍数，则进行轮密钥变换
    if (i % AES_BLOCK_SIZE == 0)
    {
        // 轮密钥变换
        SubBytes(temp);
        ShiftRows(temp);
        MixColumns(temp);
        AddRoundKey(temp, schedule + (AES_BLOCK_SIZE * (AES_MAXNR - 1)));
    }
    else if ((i % AES_BLOCK_SIZE) == 1)
    {
        // 轮密钥变换
        SubBytes(temp);
        ShiftRows(temp);
        AddRoundKey(temp, schedule + (i - 1) * 4);
    }
    else
    {
        // 轮密钥变换
        AddRoundKey(temp, schedule + (i - 1) * 4);
    }
    // 将变换后的子密钥放入schedule数组
    for (j = 0; j < 4; j++)
    {
        schedule[i * 4 + j] = temp[j];
    }
}

} `

2.加密过程

加密过程主要包括以下几个步骤：

（1）将明文分成多个块，每个块的大小为AESBLOCKSIZE。（2）对每个块进行AES加密，包括轮密钥变换、字节替换、行移位、列混淆和轮密钥变换。（3）将加密后的块合并成密文。

以下是加密过程的源码示例：

`c void AESEncrypt(AESKEY *key, const uint8t *input, uint8t *output) { uint8t *schedule = key->roundKey; uint8t *state = (uint8t *)malloc(AESBLOCKSIZE); uint8t *temp = (uint8t *)malloc(AESBLOCKSIZE);

// 将明文复制到state数组
memcpy(state, input, AES_BLOCK_SIZE);
// 对每个块进行AES加密
for (int i = 0; i < AES_BLOCK_SIZE; i += AES_BLOCK_SIZE)
{
    // 轮密钥变换
    AddRoundKey(state, schedule);
    // 轮密钥变换
    for (int j = 1; j < AES_MAXNR; j++)
    {
        SubBytes(state);
        ShiftRows(state);
        MixColumns(state);
        AddRoundKey(state, schedule + (AES_BLOCK_SIZE * j));
    }
    // 轮密钥变换
    SubBytes(state);
    ShiftRows(state);
    AddRoundKey(state, schedule + (AES_MAXNR * AES_BLOCK_SIZE));
    // 将加密后的块复制到output数组
    memcpy(output + i, state, AES_BLOCK_SIZE);
}
// 释放内存
free(state);
free(temp);

} `

3.解密过程

解密过程与加密过程类似，只是将加密过程中的变换顺序反过来。以下是解密过程的源码示例：

`c void AESDecrypt(AESKEY *key, const uint8t *input, uint8t *output) { uint8t *schedule = key->roundKey; uint8t *state = (uint8t *)malloc(AESBLOCKSIZE); uint8t *temp = (uint8t *)malloc(AESBLOCKSIZE);

// 将明文复制到state数组
memcpy(state, input, AES_BLOCK_SIZE);
// 对每个块进行AES解密
for (int i = 0; i < AES_BLOCK_SIZE; i += AES_BLOCK_SIZE)
{
    // 轮密钥变换
    AddRoundKey(state, schedule + (AES_MAXNR * AES_BLOCK_SIZE));
    // 轮密钥变换
    InvShiftRows(state);
    InvSubBytes(state);
    AddRoundKey(state, schedule + (AES_MAXNR * (AES_MAXNR - 1) - AES_BLOCK_SIZE * (AES_MAXNR - 1)));
    // 对每个块进行AES解密
    for (int j = AES_MAXNR - 2; j > 0; j--)
    {
        AddRoundKey(state, schedule + (AES_BLOCK_SIZE * j));
        InvMixColumns(state);
        InvShiftRows(state);
        InvSubBytes(state);
        AddRoundKey(state, schedule + (AES_BLOCK_SIZE * (AES_MAXNR - 1) - AES_BLOCK_SIZE * j));
    }
    // 轮密钥变换
    AddRoundKey(state, schedule);
    // 将解密后的块复制到output数组
    memcpy(output + i, state, AES_BLOCK_SIZE);
}
// 释放内存
free(state);
free(temp);

} `

三、总结

AES算法的源码解析可以帮助我们更好地理解加密技术的核心。通过对AES算法的源码进行分析，我们可以了解到密钥扩展、加密过程和解密过程的具体实现。在实际应用中，了解AES算法的源码有助于我们更好地设计和优化加密系统，提高数据安全性。

在撰写本文时，我们尽量以通俗易懂的方式解析AES算法的源码，使读者能够轻松理解。希望本文对您有所帮助，让您在数据安全领域取得更好的成果。