【声明】

(1) 本文源码

在一位未署名网友源码基础上，利用Qt编程，实现了AES加解密算法，并添加了文件加解密功能。在此表示感谢！该源码仅供学习交流，请勿用于商业目的。

(2) 图片及描述

除图1外，图片及部分解析来自http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%AB%98%E7%BA%A7%E5%8A%A0%E5%AF%86%E6%A0%87%E5%87%86。图1为个人劳动成果，请勿盗用此图。

【简介】

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准），于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。2006年，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。

【算法描述】

AES的区块长度固定为128 比特，密钥长度则可以是128，192或256比特。AES加密过程是在一个4×4的字节矩阵上运作，这个矩阵又称为“体（state）”，其初值就是一个明文区块（矩阵中一个元素大小就是明文区块中的一个Byte）。加密时，各轮AES加密循环（除最后一轮外）均包含4个步骤： 1.AddRoundKey — 矩阵中的每一个字节都与该次轮密钥（round key）做XOR运算；每个子密钥由密钥生成方案产生。 2.SubBytes — 通过一个非线性的替换函数，用查找表的方式把每个字节替换成对应的字节。 3.ShiftRows — 将矩阵中的每个横列进行循环式移位。 4.MixColumns — 为了充分混合矩阵中各个直行的操作。这个步骤使用线性转换来混合每内联的四个字节。 最后一个加密循环中省略MixColumns步骤，而以另一个AddRoundKey取代。 AES算法加解密流程如图1所示：

图1 AES加密算法流程图

【算法解析】

1 常量定义

S-Box

  1. const unsigned char AES::Sbox[16*16]=
  2. {// populate the Sbox matrix
  3. /* 0     1     2     3     4     5     6     7     8     9     a     b     c     d     e     f */
  4. /*0*/  0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, 0xf2, 0x6b, 0x6f, 0xc5, 0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, 0xfe, 0xd7, 0xab, 0x76,
  5. /*1*/  0xca, 0x82, 0xc9, 0x7d, 0xfa, 0x59, 0x47, 0xf0, 0xad, 0xd4, 0xa2, 0xaf, 0x9c, 0xa4, 0x72, 0xc0,
  6. /*2*/  0xb7, 0xfd, 0x93, 0x26, 0x36, 0x3f, 0xf7, 0xcc, 0x34, 0xa5, 0xe5, 0xf1, 0x71, 0xd8, 0x31, 0x15,
  7. /*3*/  0x04, 0xc7, 0x23, 0xc3, 0x18, 0x96, 0x05, 0x9a, 0x07, 0x12, 0x80, 0xe2, 0xeb, 0x27, 0xb2, 0x75,
  8. /*4*/  0x09, 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a, 0xa0, 0x52, 0x3b, 0xd6, 0xb3, 0x29, 0xe3, 0x2f, 0x84,
  9. /*5*/  0x53, 0xd1, 0x00, 0xed, 0x20, 0xfc, 0xb1, 0x5b, 0x6a, 0xcb, 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, 0xcf,
  10. /*6*/  0xd0, 0xef, 0xaa, 0xfb, 0x43, 0x4d, 0x33, 0x85, 0x45, 0xf9, 0x02, 0x7f, 0x50, 0x3c, 0x9f, 0xa8,
  11. /*7*/  0x51, 0xa3, 0x40, 0x8f, 0x92, 0x9d, 0x38, 0xf5, 0xbc, 0xb6, 0xda, 0x21, 0x10, 0xff, 0xf3, 0xd2,
  12. /*8*/  0xcd, 0x0c, 0x13, 0xec, 0x5f, 0x97, 0x44, 0x17, 0xc4, 0xa7, 0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73,
  13. /*9*/  0x60, 0x81, 0x4f, 0xdc, 0x22, 0x2a, 0x90, 0x88, 0x46, 0xee, 0xb8, 0x14, 0xde, 0x5e, 0x0b, 0xdb,
  14. /*a*/  0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c, 0xc2, 0xd3, 0xac, 0x62, 0x91, 0x95, 0xe4, 0x79,
  15. /*b*/  0xe7, 0xc8, 0x37, 0x6d, 0x8d, 0xd5, 0x4e, 0xa9, 0x6c, 0x56, 0xf4, 0xea, 0x65, 0x7a, 0xae, 0x08,
  16. /*c*/  0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, 0xa6, 0xb4, 0xc6, 0xe8, 0xdd, 0x74, 0x1f, 0x4b, 0xbd, 0x8b, 0x8a,
  17. /*d*/  0x70, 0x3e, 0xb5, 0x66, 0x48, 0x03, 0xf6, 0x0e, 0x61, 0x35, 0x57, 0xb9, 0x86, 0xc1, 0x1d, 0x9e,
  18. /*e*/  0xe1, 0xf8, 0x98, 0x11, 0x69, 0xd9, 0x8e, 0x94, 0x9b, 0x1e, 0x87, 0xe9, 0xce, 0x55, 0x28, 0xdf,
  19. /*f*/  0x8c, 0xa1, 0x89, 0x0d, 0xbf, 0xe6, 0x42, 0x68, 0x41, 0x99, 0x2d, 0x0f, 0xb0, 0x54, 0xbb, 0x16
  20. };
const unsigned char AES::Sbox[16*16]=

{// populate the Sbox matrix

 /* 0     1     2     3     4     5     6     7     8     9     a     b     c     d     e     f */

 /*0*/  0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, 0xf2, 0x6b, 0x6f, 0xc5, 0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, 0xfe, 0xd7, 0xab, 0x76,

 /*1*/  0xca, 0x82, 0xc9, 0x7d, 0xfa, 0x59, 0x47, 0xf0, 0xad, 0xd4, 0xa2, 0xaf, 0x9c, 0xa4, 0x72, 0xc0,

 /*2*/  0xb7, 0xfd, 0x93, 0x26, 0x36, 0x3f, 0xf7, 0xcc, 0x34, 0xa5, 0xe5, 0xf1, 0x71, 0xd8, 0x31, 0x15,

 /*3*/  0x04, 0xc7, 0x23, 0xc3, 0x18, 0x96, 0x05, 0x9a, 0x07, 0x12, 0x80, 0xe2, 0xeb, 0x27, 0xb2, 0x75,

 /*4*/  0x09, 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a, 0xa0, 0x52, 0x3b, 0xd6, 0xb3, 0x29, 0xe3, 0x2f, 0x84,

 /*5*/  0x53, 0xd1, 0x00, 0xed, 0x20, 0xfc, 0xb1, 0x5b, 0x6a, 0xcb, 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, 0xcf,

 /*6*/  0xd0, 0xef, 0xaa, 0xfb, 0x43, 0x4d, 0x33, 0x85, 0x45, 0xf9, 0x02, 0x7f, 0x50, 0x3c, 0x9f, 0xa8,

 /*7*/  0x51, 0xa3, 0x40, 0x8f, 0x92, 0x9d, 0x38, 0xf5, 0xbc, 0xb6, 0xda, 0x21, 0x10, 0xff, 0xf3, 0xd2,

 /*8*/  0xcd, 0x0c, 0x13, 0xec, 0x5f, 0x97, 0x44, 0x17, 0xc4, 0xa7, 0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73,

 /*9*/  0x60, 0x81, 0x4f, 0xdc, 0x22, 0x2a, 0x90, 0x88, 0x46, 0xee, 0xb8, 0x14, 0xde, 0x5e, 0x0b, 0xdb,

 /*a*/  0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c, 0xc2, 0xd3, 0xac, 0x62, 0x91, 0x95, 0xe4, 0x79,

 /*b*/  0xe7, 0xc8, 0x37, 0x6d, 0x8d, 0xd5, 0x4e, 0xa9, 0x6c, 0x56, 0xf4, 0xea, 0x65, 0x7a, 0xae, 0x08,

 /*c*/  0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, 0xa6, 0xb4, 0xc6, 0xe8, 0xdd, 0x74, 0x1f, 0x4b, 0xbd, 0x8b, 0x8a,

 /*d*/  0x70, 0x3e, 0xb5, 0x66, 0x48, 0x03, 0xf6, 0x0e, 0x61, 0x35, 0x57, 0xb9, 0x86, 0xc1, 0x1d, 0x9e,

 /*e*/  0xe1, 0xf8, 0x98, 0x11, 0x69, 0xd9, 0x8e, 0x94, 0x9b, 0x1e, 0x87, 0xe9, 0xce, 0x55, 0x28, 0xdf,

 /*f*/  0x8c, 0xa1, 0x89, 0x0d, 0xbf, 0xe6, 0x42, 0x68, 0x41, 0x99, 0x2d, 0x0f, 0xb0, 0x54, 0xbb, 0x16

};
  1. const unsigned char AES::iSbox[16*16]=
  2. {
  3. // populate the iSbox matrix
  4. /* 0     1     2     3     4     5     6     7     8     9     a     b     c     d     e     f */
  5. /*0*/  0x52, 0x09, 0x6a, 0xd5, 0x30, 0x36, 0xa5, 0x38, 0xbf, 0x40, 0xa3, 0x9e, 0x81, 0xf3, 0xd7, 0xfb,
  6. /*1*/  0x7c, 0xe3, 0x39, 0x82, 0x9b, 0x2f, 0xff, 0x87, 0x34, 0x8e, 0x43, 0x44, 0xc4, 0xde, 0xe9, 0xcb,
  7. /*2*/  0x54, 0x7b, 0x94, 0x32, 0xa6, 0xc2, 0x23, 0x3d, 0xee, 0x4c, 0x95, 0x0b, 0x42, 0xfa, 0xc3, 0x4e,
  8. /*3*/  0x08, 0x2e, 0xa1, 0x66, 0x28, 0xd9, 0x24, 0xb2, 0x76, 0x5b, 0xa2, 0x49, 0x6d, 0x8b, 0xd1, 0x25,
  9. /*4*/  0x72, 0xf8, 0xf6, 0x64, 0x86, 0x68, 0x98, 0x16, 0xd4, 0xa4, 0x5c, 0xcc, 0x5d, 0x65, 0xb6, 0x92,
  10. /*5*/  0x6c, 0x70, 0x48, 0x50, 0xfd, 0xed, 0xb9, 0xda, 0x5e, 0x15, 0x46, 0x57, 0xa7, 0x8d, 0x9d, 0x84,
  11. /*6*/  0x90, 0xd8, 0xab, 0x00, 0x8c, 0xbc, 0xd3, 0x0a, 0xf7, 0xe4, 0x58, 0x05, 0xb8, 0xb3, 0x45, 0x06,
  12. /*7*/  0xd0, 0x2c, 0x1e, 0x8f, 0xca, 0x3f, 0x0f, 0x02, 0xc1, 0xaf, 0xbd, 0x03, 0x01, 0x13, 0x8a, 0x6b,
  13. /*8*/  0x3a, 0x91, 0x11, 0x41, 0x4f, 0x67, 0xdc, 0xea, 0x97, 0xf2, 0xcf, 0xce, 0xf0, 0xb4, 0xe6, 0x73,
  14. /*9*/  0x96, 0xac, 0x74, 0x22, 0xe7, 0xad, 0x35, 0x85, 0xe2, 0xf9, 0x37, 0xe8, 0x1c, 0x75, 0xdf, 0x6e,
  15. /*a*/  0x47, 0xf1, 0x1a, 0x71, 0x1d, 0x29, 0xc5, 0x89, 0x6f, 0xb7, 0x62, 0x0e, 0xaa, 0x18, 0xbe, 0x1b,
  16. /*b*/  0xfc, 0x56, 0x3e, 0x4b, 0xc6, 0xd2, 0x79, 0x20, 0x9a, 0xdb, 0xc0, 0xfe, 0x78, 0xcd, 0x5a, 0xf4,
  17. /*c*/  0x1f, 0xdd, 0xa8, 0x33, 0x88, 0x07, 0xc7, 0x31, 0xb1, 0x12, 0x10, 0x59, 0x27, 0x80, 0xec, 0x5f,
  18. /*d*/  0x60, 0x51, 0x7f, 0xa9, 0x19, 0xb5, 0x4a, 0x0d, 0x2d, 0xe5, 0x7a, 0x9f, 0x93, 0xc9, 0x9c, 0xef,
  19. /*e*/  0xa0, 0xe0, 0x3b, 0x4d, 0xae, 0x2a, 0xf5, 0xb0, 0xc8, 0xeb, 0xbb, 0x3c, 0x83, 0x53, 0x99, 0x61,
  20. /*f*/  0x17, 0x2b, 0x04, 0x7e, 0xba, 0x77, 0xd6, 0x26, 0xe1, 0x69, 0x14, 0x63, 0x55, 0x21, 0x0c, 0x7d
  21. };
const unsigned char AES::iSbox[16*16]=

{

    // populate the iSbox matrix

    /* 0     1     2     3     4     5     6     7     8     9     a     b     c     d     e     f */

    /*0*/  0x52, 0x09, 0x6a, 0xd5, 0x30, 0x36, 0xa5, 0x38, 0xbf, 0x40, 0xa3, 0x9e, 0x81, 0xf3, 0xd7, 0xfb,

    /*1*/  0x7c, 0xe3, 0x39, 0x82, 0x9b, 0x2f, 0xff, 0x87, 0x34, 0x8e, 0x43, 0x44, 0xc4, 0xde, 0xe9, 0xcb,

    /*2*/  0x54, 0x7b, 0x94, 0x32, 0xa6, 0xc2, 0x23, 0x3d, 0xee, 0x4c, 0x95, 0x0b, 0x42, 0xfa, 0xc3, 0x4e,

    /*3*/  0x08, 0x2e, 0xa1, 0x66, 0x28, 0xd9, 0x24, 0xb2, 0x76, 0x5b, 0xa2, 0x49, 0x6d, 0x8b, 0xd1, 0x25,

    /*4*/  0x72, 0xf8, 0xf6, 0x64, 0x86, 0x68, 0x98, 0x16, 0xd4, 0xa4, 0x5c, 0xcc, 0x5d, 0x65, 0xb6, 0x92,

    /*5*/  0x6c, 0x70, 0x48, 0x50, 0xfd, 0xed, 0xb9, 0xda, 0x5e, 0x15, 0x46, 0x57, 0xa7, 0x8d, 0x9d, 0x84,

    /*6*/  0x90, 0xd8, 0xab, 0x00, 0x8c, 0xbc, 0xd3, 0x0a, 0xf7, 0xe4, 0x58, 0x05, 0xb8, 0xb3, 0x45, 0x06,

    /*7*/  0xd0, 0x2c, 0x1e, 0x8f, 0xca, 0x3f, 0x0f, 0x02, 0xc1, 0xaf, 0xbd, 0x03, 0x01, 0x13, 0x8a, 0x6b,

    /*8*/  0x3a, 0x91, 0x11, 0x41, 0x4f, 0x67, 0xdc, 0xea, 0x97, 0xf2, 0xcf, 0xce, 0xf0, 0xb4, 0xe6, 0x73,

    /*9*/  0x96, 0xac, 0x74, 0x22, 0xe7, 0xad, 0x35, 0x85, 0xe2, 0xf9, 0x37, 0xe8, 0x1c, 0x75, 0xdf, 0x6e,

    /*a*/  0x47, 0xf1, 0x1a, 0x71, 0x1d, 0x29, 0xc5, 0x89, 0x6f, 0xb7, 0x62, 0x0e, 0xaa, 0x18, 0xbe, 0x1b,

    /*b*/  0xfc, 0x56, 0x3e, 0x4b, 0xc6, 0xd2, 0x79, 0x20, 0x9a, 0xdb, 0xc0, 0xfe, 0x78, 0xcd, 0x5a, 0xf4,

    /*c*/  0x1f, 0xdd, 0xa8, 0x33, 0x88, 0x07, 0xc7, 0x31, 0xb1, 0x12, 0x10, 0x59, 0x27, 0x80, 0xec, 0x5f,

    /*d*/  0x60, 0x51, 0x7f, 0xa9, 0x19, 0xb5, 0x4a, 0x0d, 0x2d, 0xe5, 0x7a, 0x9f, 0x93, 0xc9, 0x9c, 0xef,

    /*e*/  0xa0, 0xe0, 0x3b, 0x4d, 0xae, 0x2a, 0xf5, 0xb0, 0xc8, 0xeb, 0xbb, 0x3c, 0x83, 0x53, 0x99, 0x61,

    /*f*/  0x17, 0x2b, 0x04, 0x7e, 0xba, 0x77, 0xd6, 0x26, 0xe1, 0x69, 0x14, 0x63, 0x55, 0x21, 0x0c, 0x7d

};

Rcon

  1. const unsigned char AES::Rcon[11*4]=
  2. {
  3. 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  4. 0x01, 0x00, 0x00, 0x00,
  5. 0x02, 0x00, 0x00, 0x00,
  6. 0x04, 0x00, 0x00, 0x00,
  7. 0x08, 0x00, 0x00, 0x00,
  8. 0x10, 0x00, 0x00, 0x00,
  9. 0x20, 0x00, 0x00, 0x00,
  10. 0x40, 0x00, 0x00, 0x00,
  11. 0x80, 0x00, 0x00, 0x00,
  12. 0x1b, 0x00, 0x00, 0x00,
  13. 0x36, 0x00, 0x00, 0x00
  14. };
const unsigned char AES::Rcon[11*4]=

{

    0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

    0x01, 0x00, 0x00, 0x00,

    0x02, 0x00, 0x00, 0x00,

    0x04, 0x00, 0x00, 0x00,

    0x08, 0x00, 0x00, 0x00,

    0x10, 0x00, 0x00, 0x00,

    0x20, 0x00, 0x00, 0x00,

    0x40, 0x00, 0x00, 0x00,

    0x80, 0x00, 0x00, 0x00,

    0x1b, 0x00, 0x00, 0x00,

    0x36, 0x00, 0x00, 0x00

};

2 密钥扩展（Expand Key） AES算法利用外部输入密钥Key(又称为基密钥，密钥串的字数为Nk)，通过密钥扩展可得到共4(Nk+1)字的扩展密钥w[4× (Nr+1)]，其中Nr为数据分组密钥的轮数。密钥扩展主要包括3个步骤： (1) 位置变换RotWord() 把一个4字节的基密钥序列[a0，a1，a2，a3]，左移一个字节变为[a1，a2，a3，a0]。

  1. void AES::RotWord(unsigned char * word,unsigned char *result)
  2. {
  3. result[0] = word[1];
  4. result[1] = word[2];
  5. result[2] = word[3];
  6. result[3] = word[0];
  7. }
void AES::RotWord(unsigned char * word,unsigned char *result)

{

    result[0] = word[1];

    result[1] = word[2];

    result[2] = word[3];

    result[3] = word[0];

}

(2) SubWord() 对一个4字节的输入字[a0，a1，a2，a3]，每一个字节进行S盒变换。

  1. void AES::SubWord(unsigned char * word,unsigned char* result)
  2. {
  3. result[0] =  Sbox[ 16*(word[0] >> 4)+ (word[0] & 0x0f) ];
  4. result[1] =  Sbox[ 16*(word[1] >> 4)+ (word[1] & 0x0f) ];
  5. result[2] =  Sbox[ 16*(word[2] >> 4)+ (word[2] & 0x0f) ];
  6. result[3] =  Sbox[ 16*(word[3] >> 4)+ (word[3] & 0x0f) ];
  7. }
void AES::SubWord(unsigned char * word,unsigned char* result)

{

    result[0] =  Sbox[ 16*(word[0] >> 4)+ (word[0] & 0x0f) ];

    result[1] =  Sbox[ 16*(word[1] >> 4)+ (word[1] & 0x0f) ];

    result[2] =  Sbox[ 16*(word[2] >> 4)+ (word[2] & 0x0f) ];

    result[3] =  Sbox[ 16*(word[3] >> 4)+ (word[3] & 0x0f) ];

}

(3) 变换Rcon[] Rcon[i]表示32比特字符串[xi-1，00，00，00]。

  1. temp[0] = (byte)( (int)temp[0] ^ (int) Rcon[4*(row/Nk)+0] );
  2. temp[1] = (byte)( (int)temp[1] ^ (int) Rcon[4*(row/Nk)+1] );
  3. temp[2] = (byte)( (int)temp[2] ^ (int) Rcon[4*(row/Nk)+2] );
  4. temp[3] = (byte)( (int)temp[3] ^ (int) Rcon[4*(row/Nk)+3] );
temp[0] = (byte)( (int)temp[0] ^ (int) Rcon[4*(row/Nk)+0] );

temp[1] = (byte)( (int)temp[1] ^ (int) Rcon[4*(row/Nk)+1] );

temp[2] = (byte)( (int)temp[2] ^ (int) Rcon[4*(row/Nk)+2] );

temp[3] = (byte)( (int)temp[3] ^ (int) Rcon[4*(row/Nk)+3] );

扩展密钥的前Nk个字就是基密钥Key；以后的字w[i]等于它前一个字w[i-1]与前第Nk个字w[i-Nk]的异或，即w[i]=w[i-1] XOR w[i-Nk]。但如果i是Nk的倍数，则w[i]=w[i-Nk] XOR SubWord(RotWord(w[i-1])) XOR Rcon[i/Nk]。

  1. void AES::KeyExpansion()
  2. {
  3. unsigned char result[4],result2[4];
  4. memset(w,0,16*15);//没有根据key的位数进行开辟空间，直接开辟了最大空间
  5. int row;
  6. for (row = 0; row < Nk; row++)//Nk=4,6,8得到初始密码
  7. {
  8. w[4*row+0] =  key[4*row];
  9. w[4*row+1] =  key[4*row+1];
  10. w[4*row+2] =  key[4*row+2];
  11. w[4*row+3] =  key[4*row+3];
  12. }
  13. unsigned char temp[4];
  14. for (row = Nk; row < Nb * (Nr+1); row++)//产生密匙顺序表
  15. {
  16. temp[0] =  w[4*(row-1)+0];
  17. temp[1] =  w[4*(row-1)+1];
  18. temp[2] =  w[4*(row-1)+2];
  19. temp[3] =  w[4*(row-1)+3];
  20. if (row % Nk == 0)
  21. {
  22. RotWord(temp,result);
  23. SubWord(result,result2);
  24. memcpy(temp,result2,4);//
  25. //RotWord 例程非常简单，它接受 4 字节的数组并将它们向左旋转位移 1 位。
  26. //因为轮回次序表 w[] 有四列，所以 RotWord 会将一行 w[] 向左旋转位移.
  27. //SubWord 例程使用置换表 Sbox，针对密钥次序表 w[] 的给定行执行逐字节置换。
  28. temp[0] = (byte)( (int)temp[0] ^ (int) Rcon[4*(row/Nk)+0] );
  29. temp[1] = (byte)( (int)temp[1] ^ (int) Rcon[4*(row/Nk)+1] );
  30. temp[2] = (byte)( (int)temp[2] ^ (int) Rcon[4*(row/Nk)+2] );
  31. temp[3] = (byte)( (int)temp[3] ^ (int) Rcon[4*(row/Nk)+3] );
  32. }
  33. else if ( Nk > 6 && (row % Nk == 4) )
  34. {
  35. SubWord(temp,result);
  36. memcpy(temp,result,4);
  37. }
  38. // w[row] = w[row-Nk] xor temp
  39. w[4*row+0] = (byte) ( (int) w[4*(row-Nk)+0] ^ (int)temp[0] );
  40. w[4*row+1] = (byte) ( (int) w[4*(row-Nk)+1] ^ (int)temp[1] );
  41. w[4*row+2] = (byte) ( (int) w[4*(row-Nk)+2] ^ (int)temp[2] );
  42. w[4*row+3] = (byte) ( (int) w[4*(row-Nk)+3] ^ (int)temp[3] );
  43. }  // for loop
  44. }  // KeyExpansion()
void AES::KeyExpansion()

{

    unsigned char result[4],result2[4];

    memset(w,0,16*15);//没有根据key的位数进行开辟空间，直接开辟了最大空间

    int row;

    for (row = 0; row < Nk; row++)//Nk=4,6,8得到初始密码

    {

        w[4*row+0] =  key[4*row];

        w[4*row+1] =  key[4*row+1];

        w[4*row+2] =  key[4*row+2];

        w[4*row+3] =  key[4*row+3];

    }

    unsigned char temp[4];

    for (row = Nk; row < Nb * (Nr+1); row++)//产生密匙顺序表

    {

        temp[0] =  w[4*(row-1)+0];

        temp[1] =  w[4*(row-1)+1];

        temp[2] =  w[4*(row-1)+2];

        temp[3] =  w[4*(row-1)+3];

        if (row % Nk == 0)

        {

            RotWord(temp,result);

            SubWord(result,result2);

            memcpy(temp,result2,4);//

            //RotWord 例程非常简单，它接受 4 字节的数组并将它们向左旋转位移 1 位。

            //因为轮回次序表 w[] 有四列，所以 RotWord 会将一行 w[] 向左旋转位移.

            //SubWord 例程使用置换表 Sbox，针对密钥次序表 w[] 的给定行执行逐字节置换。

            temp[0] = (byte)( (int)temp[0] ^ (int) Rcon[4*(row/Nk)+0] );

            temp[1] = (byte)( (int)temp[1] ^ (int) Rcon[4*(row/Nk)+1] );

            temp[2] = (byte)( (int)temp[2] ^ (int) Rcon[4*(row/Nk)+2] );

            temp[3] = (byte)( (int)temp[3] ^ (int) Rcon[4*(row/Nk)+3] );

        }

        else if ( Nk > 6 && (row % Nk == 4) )

        {

            SubWord(temp,result);

            memcpy(temp,result,4);

        }

        // w[row] = w[row-Nk] xor temp

        w[4*row+0] = (byte) ( (int) w[4*(row-Nk)+0] ^ (int)temp[0] );

        w[4*row+1] = (byte) ( (int) w[4*(row-Nk)+1] ^ (int)temp[1] );

        w[4*row+2] = (byte) ( (int) w[4*(row-Nk)+2] ^ (int)temp[2] );

        w[4*row+3] = (byte) ( (int) w[4*(row-Nk)+3] ^ (int)temp[3] );

    }  // for loop

}  // KeyExpansion()

3 轮密钥加(Add Round Key) 如图2所示，经过扩展的密钥，根据加密的轮数用相应的扩展密钥的4个数据项和中间状态矩阵上的列进行按位异或：

[s(0,c)’, s(1,c)’, s(2,c)’, s(3,c)’]= [s(0,c), s(1,c), s(2,c), s(3,c)] XOR [W(round×Nb+c)]。

图2 Add Round Key

  1. void AES::AddRoundKey(int round)
  2. {
  3. int r,c;
  4. for (r = 0; r < 4; r++)
  5. {
  6. for (c = 0; c < 4; c++)
  7. {//w:    4*x+y
  8. State[r][c]=(unsigned char)((int)State[r][c]^(int)w[4*((round*4)+c)+r]);
  9. }
  10. }
  11. }  // AddRoundKey()
void AES::AddRoundKey(int round)

{

    int r,c;

    for (r = 0; r < 4; r++)

    {

        for (c = 0; c < 4; c++)

        {//w:    4*x+y

            State[r][c]=(unsigned char)((int)State[r][c]^(int)w[4*((round*4)+c)+r]);

        }

    }

}  // AddRoundKey()

4 字节替代(Substitute Bytes) 如图3所示，从S-Box中找出S[A]=S[x,y]的值，其中A为输入矩阵任一元素。将

转换为

图3 Substitute Bytes

  1. void AES::SubBytes()
  2. {
  3. int r,c;
  4. for (r = 0; r < 4; r++)
  5. {
  6. for (c = 0; c < 4; c++)
  7. {
  8. State[r][c] =  Sbox[ 16*(State[r][c] >> 4)+ ( State[r][c] & 0x0f) ];
  9. }
  10. }
  11. }  // SubBytes
  12. void AES::InvSubBytes()
  13. {
  14. int r,c;
  15. for (r = 0; r < 4; r++)
  16. {
  17. for (c = 0; c < 4; c++)
  18. {
  19. State[r][c] =  iSbox[ 16*( State[r][c] >> 4)+( State[r][c] & 0x0f) ];
  20. }
  21. }
  22. }  // InvSubBytes
void AES::SubBytes()

{

    int r,c;

    for (r = 0; r < 4; r++)

    {

        for (c = 0; c < 4; c++)

        {

            State[r][c] =  Sbox[ 16*(State[r][c] >> 4)+ ( State[r][c] & 0x0f) ];

        }

    }

}  // SubBytes

void AES::InvSubBytes()

{

    int r,c;

    for (r = 0; r < 4; r++)

    {

        for (c = 0; c < 4; c++)

        {

            State[r][c] =  iSbox[ 16*( State[r][c] >> 4)+( State[r][c] & 0x0f) ];

        }

    }

}  // InvSubBytes

5 行移位(Shift Rows) 如图4所示，将矩阵中的每一个横列进行循环式移位。移位的规则是：第一行维持不变，第二、第三、第四行的每个字节向左循环移位的偏移量分别为1格，2格，3格。

图4 Shift Rows

  1. void AES::ShiftRows()
  2. {
  3. unsigned char temp[4*4];
  4. int r,c;
  5. for (r = 0; r < 4; r++)  // copy State into temp[]
  6. {
  7. for (c = 0; c < 4; c++)
  8. {
  9. temp[4*r+c] =  State[r][c];
  10. }
  11. }
  12. for (r = 1; r < 4; r++)  // shift temp into State
  13. {
  14. for (c = 0; c < 4; c++)
  15. {
  16. State[r][c] = temp[ 4*r+ (c + r) % Nb ];
  17. }
  18. }
  19. }  // ShiftRows()
  20. void AES::InvShiftRows()
  21. {
  22. unsigned char temp[4*4];
  23. int r,c;
  24. for (r = 0; r < 4; r++)  // copy State into temp[]
  25. {
  26. for (c = 0; c < 4; c++)
  27. {
  28. temp[4*r+c] =  State[r][c];
  29. }
  30. }
  31. for (r = 1; r < 4; r++)  // shift temp into State
  32. {
  33. for (c = 0; c < 4; c++)
  34. {
  35. State[r][ (c + r) % Nb ] = temp[4*r+c];
  36. }
  37. }
  38. }  // InvShiftRows()
void AES::ShiftRows()

{

    unsigned char temp[4*4];

    int r,c;

    for (r = 0; r < 4; r++)  // copy State into temp[]

    {

        for (c = 0; c < 4; c++)

        {

            temp[4*r+c] =  State[r][c];

        }

    }

    for (r = 1; r < 4; r++)  // shift temp into State

    {

        for (c = 0; c < 4; c++)

        {

            State[r][c] = temp[ 4*r+ (c + r) % Nb ];

        }

    }

}  // ShiftRows()

void AES::InvShiftRows()

{

    unsigned char temp[4*4];

    int r,c;

    for (r = 0; r < 4; r++)  // copy State into temp[]

    {

        for (c = 0; c < 4; c++)

        {

            temp[4*r+c] =  State[r][c];

        }

    }

    for (r = 1; r < 4; r++)  // shift temp into State

    {

        for (c = 0; c < 4; c++)

        {

            State[r][ (c + r) % Nb ] = temp[4*r+c];

        }

    }

}  // InvShiftRows()

6 列混淆(Mix Columns) 如图5所示，列变换的中间状态矩阵State如下所示：

经过上述变换，原来的列被混淆为新列。

图5 Mix Column

  1. void AES::MixColumns()
  2. {
  3. unsigned char temp[4*4];
  4. int r,c;
  5. for (r = 0; r < 4; r++)  // copy State into temp[]
  6. {
  7. for (c = 0; c < 4; c++)
  8. {
  9. temp[4*r+c] =  State[r][c];
  10. }
  11. }
  12. for (c = 0; c < 4; c++)
  13. {
  14. State[0][c] = (unsigned char) ( (int)gfmultby02(temp[0+c]) ^ (int)gfmultby03(temp[4*1+c]) ^
  15. (int)gfmultby01(temp[4*2+c]) ^ (int)gfmultby01(temp[4*3+c]) );
  16. State[1][c] = (unsigned char) ( (int)gfmultby01(temp[0+c]) ^ (int)gfmultby02(temp[4*1+c]) ^
  17. (int)gfmultby03(temp[4*2+c]) ^ (int)gfmultby01(temp[4*3+c]) );
  18. State[2][c] = (unsigned char) ( (int)gfmultby01(temp[0+c]) ^ (int)gfmultby01(temp[4*1+c]) ^
  19. (int)gfmultby02(temp[4*2+c]) ^ (int)gfmultby03(temp[4*3+c]) );
  20. State[3][c] = (unsigned char) ( (int)gfmultby03(temp[0+c]) ^ (int)gfmultby01(temp[4*1+c]) ^
  21. (int)gfmultby01(temp[4*2+c]) ^ (int)gfmultby02(temp[4*3+c]) );
  22. }
  23. }  // MixColumns
  24. void AES::InvMixColumns()
  25. {
  26. unsigned char temp[4*4];
  27. int r,c;
  28. for (r = 0; r < 4; r++)  // copy State into temp[]
  29. {
  30. for (c = 0; c < 4; c++)
  31. {
  32. temp[4*r+c] =  State[r][c];
  33. }
  34. }
  35. for (c = 0; c < 4; c++)
  36. {
  37. State[0][c] = (unsigned char) ( (int)gfmultby0e(temp[c]) ^ (int)gfmultby0b(temp[4+c]) ^
  38. (int)gfmultby0d(temp[4*2+c]) ^ (int)gfmultby09(temp[4*3+c]) );
  39. State[1][c] = (unsigned char) ( (int)gfmultby09(temp[c]) ^ (int)gfmultby0e(temp[4+c]) ^
  40. (int)gfmultby0b(temp[4*2+c]) ^ (int)gfmultby0d(temp[4*3+c]) );
  41. State[2][c] = (unsigned char) ( (int)gfmultby0d(temp[c]) ^ (int)gfmultby09(temp[4+c]) ^
  42. (int)gfmultby0e(temp[4*2+c]) ^ (int)gfmultby0b(temp[4*3+c]) );
  43. State[3][c] = (unsigned char) ( (int)gfmultby0b(temp[c]) ^ (int)gfmultby0d(temp[4+c]) ^
  44. (int)gfmultby09(temp[4*2+c]) ^ (int)gfmultby0e(temp[4*3+c]) );
  45. }
  46. }  // InvMixColumns
  47. unsigned char AES::gfmultby01(unsigned char b)
  48. {
  49. return b;
  50. }
  51. unsigned char AES::gfmultby02(unsigned char b)
  52. {
  53. if (b < 0x80)
  54. return (unsigned char)(int)(b <<1);
  55. else
  56. return (unsigned char)( (int)(b << 1) ^ (int)(0x1b) );
  57. }
  58. unsigned char AES::gfmultby03(unsigned char b)
  59. {
  60. return (unsigned char) ( (int)gfmultby02(b) ^ (int)b );
  61. }
  62. unsigned char AES::gfmultby09(unsigned char b)
  63. {
  64. return (unsigned char)( (int)gfmultby02(gfmultby02(gfmultby02(b))) ^
  65. (int)b );
  66. }
  67. unsigned char AES::gfmultby0b(unsigned char b)
  68. {
  69. return (unsigned char)( (int)gfmultby02(gfmultby02(gfmultby02(b))) ^
  70. (int)gfmultby02(b) ^
  71. (int)b );
  72. }
  73. unsigned char AES::gfmultby0d(unsigned char b)
  74. {
  75. return (unsigned char)( (int)gfmultby02(gfmultby02(gfmultby02(b))) ^
  76. (int)gfmultby02(gfmultby02(b)) ^
  77. (int)(b) );
  78. }
  79. unsigned char AES::gfmultby0e(unsigned char b)
  80. {
  81. return (unsigned char)( (int)gfmultby02(gfmultby02(gfmultby02(b))) ^
  82. (int)gfmultby02(gfmultby02(b)) ^
  83. (int)gfmultby02(b) );
  84. }
void AES::MixColumns()

{

    unsigned char temp[4*4];

    int r,c;

    for (r = 0; r < 4; r++)  // copy State into temp[]

    {

        for (c = 0; c < 4; c++)

        {

            temp[4*r+c] =  State[r][c];

        }

    }

    for (c = 0; c < 4; c++)

    {

        State[0][c] = (unsigned char) ( (int)gfmultby02(temp[0+c]) ^ (int)gfmultby03(temp[4*1+c]) ^

                                        (int)gfmultby01(temp[4*2+c]) ^ (int)gfmultby01(temp[4*3+c]) );

        State[1][c] = (unsigned char) ( (int)gfmultby01(temp[0+c]) ^ (int)gfmultby02(temp[4*1+c]) ^

                                        (int)gfmultby03(temp[4*2+c]) ^ (int)gfmultby01(temp[4*3+c]) );

        State[2][c] = (unsigned char) ( (int)gfmultby01(temp[0+c]) ^ (int)gfmultby01(temp[4*1+c]) ^

                                        (int)gfmultby02(temp[4*2+c]) ^ (int)gfmultby03(temp[4*3+c]) );

        State[3][c] = (unsigned char) ( (int)gfmultby03(temp[0+c]) ^ (int)gfmultby01(temp[4*1+c]) ^

                                        (int)gfmultby01(temp[4*2+c]) ^ (int)gfmultby02(temp[4*3+c]) );

    }

}  // MixColumns

void AES::InvMixColumns()

{

    unsigned char temp[4*4];

    int r,c;

    for (r = 0; r < 4; r++)  // copy State into temp[]

    {

        for (c = 0; c < 4; c++)

        {

            temp[4*r+c] =  State[r][c];

        }

    }

    for (c = 0; c < 4; c++)

    {

        State[0][c] = (unsigned char) ( (int)gfmultby0e(temp[c]) ^ (int)gfmultby0b(temp[4+c]) ^

                                        (int)gfmultby0d(temp[4*2+c]) ^ (int)gfmultby09(temp[4*3+c]) );

        State[1][c] = (unsigned char) ( (int)gfmultby09(temp[c]) ^ (int)gfmultby0e(temp[4+c]) ^

                                        (int)gfmultby0b(temp[4*2+c]) ^ (int)gfmultby0d(temp[4*3+c]) );

        State[2][c] = (unsigned char) ( (int)gfmultby0d(temp[c]) ^ (int)gfmultby09(temp[4+c]) ^

                                        (int)gfmultby0e(temp[4*2+c]) ^ (int)gfmultby0b(temp[4*3+c]) );

        State[3][c] = (unsigned char) ( (int)gfmultby0b(temp[c]) ^ (int)gfmultby0d(temp[4+c]) ^

                                        (int)gfmultby09(temp[4*2+c]) ^ (int)gfmultby0e(temp[4*3+c]) );

    }

}  // InvMixColumns

unsigned char AES::gfmultby01(unsigned char b)

{

    return b;

}

unsigned char AES::gfmultby02(unsigned char b)

{

    if (b < 0x80)

        return (unsigned char)(int)(b <<1);

    else

        return (unsigned char)( (int)(b << 1) ^ (int)(0x1b) );

}

unsigned char AES::gfmultby03(unsigned char b)

{

    return (unsigned char) ( (int)gfmultby02(b) ^ (int)b );

}

unsigned char AES::gfmultby09(unsigned char b)

{

    return (unsigned char)( (int)gfmultby02(gfmultby02(gfmultby02(b))) ^

                            (int)b );

}

unsigned char AES::gfmultby0b(unsigned char b)

{

    return (unsigned char)( (int)gfmultby02(gfmultby02(gfmultby02(b))) ^

                            (int)gfmultby02(b) ^

                            (int)b );

}

unsigned char AES::gfmultby0d(unsigned char b)

{

    return (unsigned char)( (int)gfmultby02(gfmultby02(gfmultby02(b))) ^

                            (int)gfmultby02(gfmultby02(b)) ^

                            (int)(b) );

}

unsigned char AES::gfmultby0e(unsigned char b)

{

    return (unsigned char)( (int)gfmultby02(gfmultby02(gfmultby02(b))) ^

                            (int)gfmultby02(gfmultby02(b)) ^

                            (int)gfmultby02(b) );

}

7 AES加密 加密时，首先进行密钥扩展。密钥扩展的结果是将初始密钥按照一定的移位和置换操作扩展为11组128位的密钥，存储在一个W[44][4]的数组里。将输入的明文，按列顺序组合成4×4的矩阵，直接与第0组密钥W[0,3](即基密钥Key)进行异或，作为轮加密的输入。然后，循环10次进行字节替代(Substitute Bytes)、行位移(Shift Rows)、列混淆(Mix Columns)、轮密钥加运算(Add Round Key)。最后一轮运算不进行列混淆变换。最后，输出128位的密文比特流。

  1. void AES::Cipher(unsigned char* input, unsigned char* output)  // encipher 16-bit input
  2. {
  3. // state = input
  4. memset(&State[0][0],0,16);
  5. int i;
  6. for (i = 0; i < (4 * Nb); i++)//
  7. {
  8. State[i % 4][ i / 4] = input[i];
  9. }
  10. AddRoundKey(0);
  11. for (int round = 1; round <= (Nr - 1); round++)  // main round loop
  12. {
  13. SubBytes();
  14. ShiftRows();
  15. MixColumns();
  16. AddRoundKey(round);
  17. }  // main round loop
  18. SubBytes();
  19. ShiftRows();
  20. AddRoundKey(Nr);
  21. // output = state
  22. for (i = 0; i < (4 * Nb); i++)
  23. {
  24. output[i] =  State[i % 4][ i / 4];
  25. }
  26. }  // Cipher()
void AES::Cipher(unsigned char* input, unsigned char* output)  // encipher 16-bit input

{

    // state = input

    memset(&State[0][0],0,16);

    int i;

    for (i = 0; i < (4 * Nb); i++)//

    {

        State[i % 4][ i / 4] = input[i];

    }

    AddRoundKey(0);

    for (int round = 1; round <= (Nr - 1); round++)  // main round loop

    {

        SubBytes();

        ShiftRows();

        MixColumns();

        AddRoundKey(round);

    }  // main round loop

    SubBytes();

    ShiftRows();

    AddRoundKey(Nr);

    // output = state

    for (i = 0; i < (4 * Nb); i++)

    {

        output[i] =  State[i % 4][ i / 4];

    }

}  // Cipher()

8 AES解密 解密时，进行加密过程逆运算，除轮密钥加和密钥扩展不变外，其余都需要进行相应的逆变换。当基密钥正确，并且采用正确的解密算法，点击解密，对文件进行正确解密。

  1. void AES::InvCipher(unsigned char * input, unsigned char * output)  // decipher 16-bit input
  2. {
  3. // state = input
  4. int i;
  5. memset(&State[0][0],0,16);
  6. for (i = 0; i < (4 * Nb); i++)
  7. {
  8. State[i % 4][ i / 4] = input[i];
  9. }
  10. AddRoundKey(Nr);
  11. for (int round = Nr-1; round >= 1; round--)  // main round loop
  12. {
  13. InvShiftRows();
  14. InvSubBytes();
  15. AddRoundKey(round);
  16. InvMixColumns();
  17. }  // end main round loop for InvCipher
  18. InvShiftRows();
  19. InvSubBytes();
  20. AddRoundKey(0);
  21. // output = state
  22. for (i = 0; i < (4 * Nb); i++)
  23. {
  24. output[i] =  State[i % 4][ i / 4];
  25. }
  26. }  // InvCipher()
void AES::InvCipher(unsigned char * input, unsigned char * output)  // decipher 16-bit input

{

    // state = input

    int i;

    memset(&State[0][0],0,16);

    for (i = 0; i < (4 * Nb); i++)

    {

        State[i % 4][ i / 4] = input[i];

    }

    AddRoundKey(Nr);

    for (int round = Nr-1; round >= 1; round--)  // main round loop

    {

        InvShiftRows();

        InvSubBytes();

        AddRoundKey(round);

        InvMixColumns();

    }  // end main round loop for InvCipher

    InvShiftRows();

    InvSubBytes();

    AddRoundKey(0);

    // output = state

    for (i = 0; i < (4 * Nb); i++)

    {

        output[i] =  State[i % 4][ i / 4];

    }

}  // InvCipher()

【算法举例】

  1. void print(const char *key, unsigned char* value)
  2. {
  3. int i;
  4. printf("%s:\n", key);
  5. for(i=0; i<16; i++)
  6. {
  7. printf("%s%#x ", value[i]>15 ? "" : "0", value[i]);
  8. }
  9. printf("\n");
  10. }
  11. unsigned char input[] =
  12. {
  13. 0x32, 0x43, 0xf6, 0xa8,
  14. 0x88, 0x5a, 0x30, 0x8d,
  15. 0x31, 0x31, 0x98, 0xa2,
  16. 0xe0, 0x37, 0x07, 0x34
  17. };
  18. unsigned char output[16] = { 0 };
  19. unsigned char key[] =
  20. {
  21. 0x2b, 0x7e, 0x15, 0x16,
  22. 0x28, 0xae, 0xd2, 0xa6,
  23. 0xab, 0xf7, 0x15, 0x88,
  24. 0x09, 0xcf, 0x4f, 0x3c
  25. };
  26. AES aes(Bits128,key);
  27. //-1-
  28. print("Input", input);
  29. aes.Cipher(input,output);
  30. print("After Cipher", output);
  31. aes.InvCipher(output,input);
  32. print("After InvCipher", input);
void print(const char *key, unsigned char* value)

{

    int i;

    printf("%s:\n", key);

    for(i=0; i<16; i++)

    {

        printf("%s%#x ", value[i]>15 ? "" : "0", value[i]);

    }

    printf("\n");

}

unsigned char input[] =

{

        0x32, 0x43, 0xf6, 0xa8,

        0x88, 0x5a, 0x30, 0x8d,

        0x31, 0x31, 0x98, 0xa2,

        0xe0, 0x37, 0x07, 0x34

};

unsigned char output[16] = { 0 };

unsigned char key[] =

{

        0x2b, 0x7e, 0x15, 0x16,

        0x28, 0xae, 0xd2, 0xa6,

        0xab, 0xf7, 0x15, 0x88,

        0x09, 0xcf, 0x4f, 0x3c

};

AES aes(Bits128,key);

//-1-

print("Input", input);

aes.Cipher(input,output);

print("After Cipher", output);

aes.InvCipher(output,input);

print("After InvCipher", input);

【文件加密】

本文仅分析AES算法本身，不就AES文件加密进行分析。源码中的文件加密功能仅供测试用。实际使用时，文件加密可使用多线程，要考虑加锁、明文字节填充等问题。

【源码下载】

http://download.csdn.net/detail/tandesir/4613524

【参考文献】

1 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%AB%98%E7%BA%A7%E5%8A%A0%E5%AF%86%E6%A0%87%E5%87%86

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