密码学课程设计.doc

1、 密码学课程设计学号： 班级： 姓名： 指导教师2010 年 7 月 4 日 AES 加解密算法一.原理AES 是美国高级加密标准算法,将在未来几十年里代替 DES 在各个领域中得到广泛应用。随着对称密码的发展,DES 数据加密标准算法由于密钥长度较小(56 位),已经不适应当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求，因此 1997 年 NIST 公开征集新的数据加密标准,即 AES1。经过三轮的筛选,比利时 Joan Daeman 和 Vincent Rijmen 提交的 Rijndael 算法被提议为 AES 的最终算法。此算法将成为美国新的数据加密标准而被广泛应用在各个领域中。尽管人们对

2、AES 还有不同的看法,但总体来说,AES 作为新一代的数据加密标准汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点。AES 设计有三个密钥长度:128,192,256 位，相对而言，AES 的 128 密钥比 DES 的 56 密钥强 1021 倍2。AES 算法主要包括三个方面：轮变化、圈数和密钥扩展。本文以 128 为例，介绍算法的基本原理；结合 AVR 汇编语言，实现高级数据加密算法 AES。AES 加密、解密算法原理AES 是分组密钥，算法输入 128 位数据，密钥长度也是 128 位。用 Nr 表示对一个数据分组加密的轮数（加密轮数与密钥长度的关系如表 1 所列） 。每一轮都需要一

3、个与输入分组具有相同长度的扩展密钥Expandedkey(i)的参与。由于外部输入的加密密钥 K 长度有限,所以在算法中要用一个密钥扩展程序(Keyexpansion)把外部密钥 K 扩展成更长的比特串,以生成各轮的加密和解密密钥。1 圈变化AES 每一个圈变换由以下三个层组成:非线性层进行 Subbyte 变换；线行混合层进行 ShiftRow 和 MixColumn 运算；密钥加层进行 AddRoundKey 运算。 Subbyte 变换是作用在状态中每个字节上的一种非线性字节转换,可以通过计算出来的 S 盒进行映射。Schange:ldi zh,01;将指针指向 S 盒的首地址mov z

4、l,r2；将要查找的数据作为指针低地址ldtemp,z+；取出这个对应的数据mov r2,temp；交换数据完成查表ret ShiftRow 是一个字节换位。它将状态中的行按照不同的偏移量进行循环移位，而这个偏移量也是根据 Nb 的不同而选择的3。shiftrow:;这是一个字节换位的子程序mov temp,r3;因为是 44mov r3,r7; r2 r6 r10 r14 r2 r6 r10 r14 mov r7,r11; r3 r7 r11 r15-r7 r11 r15 r3mov r11,r15; r4 r8 r12 r17 r12 r17 r4 r8mov r15,temp; r5 r

5、9 r13 r18 r18 r5 r9 r13mov temp,r4mov temp1,r8mov r4,r12mov r8,r17mov r12,tempmov r17,temp1mov temp,r18mov r18,r13mov r13,r9mov r9,r5mov r5,tempret 在 MixColumn 变换中,把状态中的每一列看作 GF(28)上的多项式 a(x)与固定多项式 c(x)相乘的结果。b(x)=c(x)*a(x)的系数这样计算:*运算不是普通的乘法运算,而是特殊的运算，即b(x)=c(x)?a(x)(mod x4+1)对于这个运算b0=02。a0+03。a1+a2+

6、a3令 xtime(a0)=02。a0其中，符号“。 ”表示模一个八次不可约多项式的同余乘法3。mov temp,a0;这是一个 mixcolimn 子程序rcall xtime;调用 xtime 程序mov a0,tempmov temp,a1rcall xtimeeor a0,a1eor a0,tempeor a0,a2eor a0,a3;完成 b(x)的计算xtime:;这是一个子程序ldi temp1,1b lsl tempbrcs next1;如果最高位是 1,则转移next: ret;否则什么也不变化next1:eor temp,temp1 rjmp next对于逆变化,其矩阵 C

7、 要改变成相应的 D,即 b(x)=d(x)a(x)。 密钥加层运算(addround)是将圈密钥状态中的对应字节按位“异或” 。 根据线性变化的性质1,解密运算是加密变化的逆变化。这里不再详细叙述。2 轮变化对不同的分组长度，其对应的轮变化次数是不同的。3 密钥扩展AES 算法利用外部输入密钥 K(密钥串的字数为 Nk),通过密钥的扩展程序得到共计 4(Nr+1)字的扩展密钥。它涉及如下三个模块: 位置变换(rotword)把一个 4 字节的序列A,B,C,D变化成B,C,D,A； S 盒变换(subword)对一个 4 字节进行 S 盒代替； 变换 RconiRconi表示 32 位比特字

8、xi-1,00,00,00。这里的 x 是（02） ，如Rcon1=01000000；Rcon2=02000000；Rcon3=04000000扩展密钥的生成：扩展密钥的前 Nk 个字就是外部密钥 K；以后的字 W等于它前一个字 Wi-1与前第 Nk 个字 Wi-Nk的“异或”,即 W=Wi-1 W- Nk。但是若为 Nk 的倍数,则 W=Wi-Nk Subword(Rotword(W-1) Rconi/Nk。二.过程流程：AddRoundKey 步骤，回合金钥将会与原矩阵合并。在每次的加密循环中，都会由主密钥产生一把回合金钥（通过 Rijndael 密钥生成方案产生），这把金钥大小会跟原矩阵

9、一样，以与原矩阵中每个对应的字节作异或（）加法。在 AddRoundKey 步骤中，将每个状态中的字节与该回合金钥做异或()。SubBytes 步骤在 SubBytes 步骤中，矩阵中的各字节通过一个 8 位的 S-box 进行转换。这个步骤提供了加密法非线性的变换能力。S-box 与 GF(28)上的乘法反元素有关，已知具有良好的非线性特性。为了避免简单代数性质的攻击，S-box 结合了乘法反元素及一个可逆的仿射变换矩阵建构而成。 此外在建构 S-box 时，刻意避开了固定点与反固定点，即以 S-box 替换字节的结果会相当于错排的结果。 此条目有针对 S-box 的详细描述： Rijnda

10、el S-box在 SubBytes 步骤中，矩阵中各字节被固定的 8 位查找表中对应的特定字节所替换, S; bij = S(aij).ShiftRows 步骤ShiftRows 是针对矩阵的每一个横列操作的步骤。 在此步骤中，每一行都向左循环位移某个偏移量。在AES 中（区块大小 128 位），第一行维持不变，第二行里的每个字节都向左循环移动一格。同理，第三行及第四行向左循环位移的偏移量就分别是 2 和 3。128 位和 192 位的区块在此步骤的循环位移的模式相同。经过 ShiftRows 之后，矩阵中每一竖列，都是由输入矩阵中的每个不同列中的元素组成。Rijndael 算法的版本中，偏

11、移量和 AES 有少许不同；对于长度 256 位的区块，第一行仍然维持不变，第二行、第三行、第四行的偏移量分别是 1 字节、3 字节、4 位组。除此之外，ShiftRows 操作步骤在 Rijndael 和 AES 中完全相同。在 ShiftRows 步骤中,矩阵中每一行的各个字节循环向左方位移。位移量则随着行数递增而递增。MixColumns 步骤在 MixColumns 步骤，每一直行的四个字节通过线性变换互相结合。每一直行的四个元素分别当作1,x,x2,x3的系数，合并即为 GF(28)中的一个多项式，接着将此多项式和一个固定的多项式 c(x) = 3x3 + x2 + x + 2 在

12、modulo x4 + 1 下相乘。此步骤亦可视为 Rijndael 有限域之下的矩阵乘法。MixColumns 函数接受 4 个字节的输入，输出 4 个字节，每一个输入的字节都会对输出的四个字节造成影响。因此ShiftRows 和 MixColumns 两步骤为这个密码系统提供了扩散性。在 MixColumns 步骤中，每个直行都在 modulo x4 + 1 之下，和一个固定多项式 c(x) 作乘法。三.源代码package com.oristand.zl;import java.awt.FlowLayout;import java.awt.event.ActionEvent;import

13、 java.awt.event.ActionListener;import javax.crypto.*;import javax.crypto.spec.*;import javax.swing.JButton;import javax.swing.JFrame;import javax.swing.JLabel;import javax.swing.JPanel;import javax.swing.JScrollPane;import javax.swing.JTextArea;import javax.swing.JTextField;public class Aes1 public

14、static void main(String args) throws Exception /*加密用的Key可以用26个字母和数字组成，最好不要用保留字符，虽然不会错，至于怎么裁决，个人看情况而定*/JFrame jf=new JFrame(“AES加解密“);JPanel jp=new JPanel();JLabel j1=new JLabel(“加密字符串“ );JLabel j2=new JLabel(“加密后字符串“ );JLabel j3=new JLabel(“解密后字符串“ );JButton jb1=new JButton(“ 加密 “);JButton jb2=new J

15、Button(“ 解密 “);final JTextField jtf=new JTextField(30);final JTextField jtf1=new JTextField(30);final JTextField jtf2=new JTextField(30);final String cKey = “1234567890123456“;jf.setSize(400,600);jp.setLayout(new FlowLayout();jp.add(j1);jp.add(jtf);jp.add(jb1);jp.add(j2);jp.add(jtf1);jp.add(jb2);jp.

16、add(j3);jp.add(jtf2);jf.add(jp);jf.setVisible(true);jb1.addActionListener(new ActionListener() Overridepublic void actionPerformed(ActionEvent e) / TODO Auto-generated method stubString cSrc = jtf.getText();System.out.println(“加密明文是：“ +cSrc);/long lStart = System.currentTimeMillis();String enString;

17、try enString = Aes1.Encrypt(cSrc, cKey);jtf1.setText(enString);System.out.println(“加密后的字串是： “ + enString); catch (Exception e1) / TODO Auto-generated catch blocke1.printStackTrace(););jb2.addActionListener(new ActionListener() Overridepublic void actionPerformed(ActionEvent e1) / TODO Auto-generated

18、 method stubString s=jtf1.getText();String DeString;try DeString = Aes1.Decrypt(s, cKey);jtf2.setText(DeString);System.out.println(“解密后的字串是： “ + DeString); catch (Exception e) / TODO Auto-generated catch blocke.printStackTrace(););jf.setDefaultCloseOperation(jf.EXIT_ON_CLOSE);/需要加密的字串/加密public stati

19、c String Decrypt(String sSrc, String sKey) throws Exception try /判断Key 是否正确if (sKey = null) System.out.print(“Key为空null“);return null;/判断Key 是否为 16位if (sKey.length() != 16) System.out.print(“Key长度不是16位“);return null;byte raw = sKey.getBytes(“ASCII“);SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(raw, “A

20、ES“);Cipher cipher = Cipher.getInstance(“AES“);cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, skeySpec);byte encrypted1 = hex2byte(sSrc);try byte original = cipher.doFinal(encrypted1);String originalString = new String(original);return originalString; catch (Exception e) System.out.println(e.toString();return nul

21、l; catch (Exception ex) System.out.println(ex.toString();return null;/判断Key 是否正确public static String Encrypt(String sSrc, String sKey) throws Exception if (sKey = null) System.out.print(“Key为空null“);return null;/判断Key 是否为 16位if (sKey.length() != 16) System.out.print(“Key长度不是16位“);return null;byte ra

22、w = sKey.getBytes(“ASCII“);SecretKeySpec skeySpec = new SecretKeySpec(raw, “AES“);Cipher cipher = Cipher.getInstance(“AES“);cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, skeySpec);byte encrypted = cipher.doFinal(sSrc.getBytes();return byte2hex(encrypted).toLowerCase();public static byte hex2byte(String strhex) i

23、f (strhex = null) return null;int l = strhex.length();if (l % 2 = 1) return null;byte b = new bytel / 2;for (int i = 0; i != l / 2; i+) bi = (byte) Integer.parseInt(strhex.substring(i * 2, i * 2 + 2), 16);return b;public static String byte2hex(byte b) String hs = “;String stmp = “;for (int n = 0; n

24、b.length; n+) stmp = (java.lang.Integer.toHexString(bn if (stmp.length() = 1) hs = hs + “0“ + stmp; else hs = hs + stmp;return hs.toUpperCase();四.测试1.加密界面2.加密字符串（学号）3.加密后结果4.解密后结果5.打印结果五.分析理解 AES 需要知道以下两个概念：状态：算法中间的结果也需要分组，称之为状态，状态可以用以字节为元素的矩阵阵列表示，该阵列有 4行，列数 Nb 为分组长度除 32；种子密钥：以字节为元素的矩阵阵列描述，阵列为 4 行，列

25、数 Nk 为密钥长度除 32，其中根据种子密钥，可以推导出各轮子密钥 w , ，此过程亦称作密钥扩展，针对不同密钥长度的密钥扩展算法可以参照阅读AES 算法标准发布文档。流程如下：首先生成 128 位 16 字节的初始密钥 ckey，判断密钥是否为 16 字节，如不是则返回空，如是则继续。public static String Encrypt(String sSrc, String sKey)函数 Encrpt 是用来加密所给字符串，其中 sSrc 是要加密的明文，sKey 是密钥，加密后返回加密后字符串。public static String Decrypt(String sSrc, S

26、tring sKey)函数 Decrpt 是用来解密加密后的密文，sSrc 是加密后的字符串，sKey 是加密密钥，解密后返回加密后的明文。以下为判断密钥是否为 128 位（16 字节）if (sKey = null) System.out.print(“Key为空null“);return null;/判断Key 是否为 16位if (sKey.length() != 16) System.out.print(“Key长度不是16位“);return nul以下代码为把 2 进制转化为 16 进制public static byte hex2byte(String strhex) if (s

27、trhex = null) return null;int l = strhex.length();if (l % 2 = 1) return null;byte b = new bytel / 2;for (int i = 0; i != l / 2; i+) bi = (byte) Integer.parseInt(strhex.substring(i * 2, i * 2 + 2), 16);return b;以下为步骤：1.在源程序中输入 16 字节的密钥，开始时判断是否为 128 位 2 进制，如是则继续下面的加密过程及解密过程。2 加密前输入加密明文，然后用加密算法 Encrpt

28、加密明文，把加密后的打印出来。3.用 Decrpt 解密密文，输入为密文和密钥，解密后的明文与加密前明文对比，如果一样则加密成功，输出和解密后结果，如不一样则要更改算法。六.总结1.算法优化衡量分组密码硬件实现性能的重要参数有两个：1)吞吐量(throughput) 。单位时间内加/解密的数据量(b/s) 。2)电路面积（area） ，针对 FPGA，指的是所消耗的可配置逻辑块 (CLB)。数据的加密速度和加密的吞吐量密切相关，可用公式(1)进行简单计算： 吞吐量=处理的比特平均数秒 (1) 在 AES 算法模式下，也可表示成： 吞吐量=l28/(处理一个块的时钟周期的平均值+时钟周期值)(2

29、) 在非反馈模式下使用不同的结构，可以实现不同的优化要求。流水线结构能实现速度最大优化，最小面积需求的应用中，则可使用循环结构。要实现最佳速度面积比率， 流水线循环结构是最佳选择。结构改进可以实现一定的性能优化 为了提高 AES 加密硬件实现结构的吞吐量，可针对 AES 算法轮函数中的四个关键步骤进行优化设计和实现。 （1）对列混淆的有限域运算进行优化。列混淆是基于 GF(28)代数运算的数据代换过程，可以通过对运算的分解做出优化。对有限域运算进行优化有效节约了设计资源。 （2）利用 FPGA 中的存储器资源，用查表方法取代乘法操作。将 S 盒用一个 8 入 8 出的查找表实现。这样提高了资源

30、利用率。文献5通过对 S 盒的优化，使用 0137m CMOS 技术在 780MHz 标准库下实现了 10Gbps 的加密速度。2. AES 算法应用从 AES 算法提出至今，由于其显著优势已逐步取代 DES 成为新一代加密标准。它的主要特点有：成功运用了二元域上多项式的结构，硬件实现很方便。软件实现也方便，可以在智能卡中实现，且速度较高，算法的代码行少效率较高，AES 的均衡对称结构使其对差分分析攻击明显强于 DES。AES 在保障数据安全方面已经得到了广泛应用。在本文中，仅介绍 AES 加密算法在 EPON 中对下行流量的加密。AES 是高级加密模块, 随着处理数据的不断庞大, 加密保密的

31、要求也随之变得更加重要, 由 NIST 组织标准化的 AES 高级加密技术的应用是非常广泛的. AES 可以应用于如下: 1) 政府或军用通信 2) 无线网络 3) 网络保密系统: IPSec, SSL, TSL 等协议 4) 财政保密 ANSI X9.53 5) 游戏机器 6) 严密的反盗 7) 私有财产的保密应用 还有其它应用等。3. 课设心得通过这次课设让我更加了解了 AES 加解密的过程及其原理，加深了自己的实践经验，让我在动手的过程中了解了更多的知识，同时加深了其他的课程的学习，本次我用的是 java 编写的程序，由于 java 的特性，程序比用 c 编写的简单，但还是加深了对 java 的理解。相信 AES 加密算法因加密效率高，安全性强，将逐步替代 DES。为了更好的提高系统性能。需要进一步研究结构优化和算法优化的结合。随着 AES 算法实现的不断优化设计，必将为保证网络数据安全而得到广泛应用。