AES密码c语言实现

<think>我们正在讨论C语言实现AES加密算法。根据引用内容，AES是一种对称加密算法，在C语言中实现需要考虑密钥扩展、加密解密过程等。引用[3]提供了密钥扩展的具体步骤，引用[1]和[2]提供了背景和关键步骤的概述。 我们将按照以下步骤实现AES加密算法： 1. 密钥扩展：根据初始密钥生成轮密钥。 2. 实现加密轮函数：包括字节替换（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混合（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。 3. 实现解密轮函数：逆操作。 4. 主函数：组织加密和解密流程。 注意：AES有固定的块大小（128位）和不同的密钥长度（128、192、256位）。这里以128位密钥为例。 步骤1：密钥扩展 根据引用[3]，密钥扩展过程如下： - 初始密钥被分成4个32位的字（w0, w1, w2, w3）。 - 然后生成后续的字（w4到w43，因为128位密钥需要11轮，共44个字）。 - 对于每个字w[j]（j从4到43）： 如果 j 是4的倍数，则 w[j] = w[j-4] XOR g(w[j-1]) 否则，w[j] = w[j-4] XOR w[j-1] 其中g函数包括：字循环移位（RotWord）、字节替换（SubWord）和与轮常数异或（Rcon）。 步骤2：加密过程 - 初始轮密钥加 - 9轮相同的操作（每轮包括：SubBytes, ShiftRows, MixColumns, AddRoundKey） - 最后一轮（不包括MixColumns）：SubBytes, ShiftRows, AddRoundKey 步骤3：解密过程 - 初始轮密钥加（使用最后一轮轮密钥） - 9轮相同的操作（每轮包括：InvShiftRows, InvSubBytes, AddRoundKey, InvMixColumns）注意：顺序和加密相反，且AddRoundKey在InvMixColumns之前？实际上，通常的顺序是：InvShiftRows, InvSubBytes, AddRoundKey, InvMixColumns。但注意，在解密时，轮密钥的使用顺序是逆序的。 - 最后一轮（不包括InvMixColumns）：InvShiftRows, InvSubBytes, AddRoundKey 注意：列混合和逆列混合在加轮密钥之后，但在解密时，我们通常将步骤调整为：先进行逆移位和逆字节替换，然后加轮密钥，再进行逆列混合（除了最后一轮）。但有一种等价解密方式（称为等价逆变换）可以调整顺序，这里我们按标准步骤。 由于代码较长，我们将分步骤实现。首先定义一些常量和辅助函数。 常量：S盒（SubBytes使用的替换表）、逆S盒、轮常数Rcon。 辅助函数： - SubBytes：对一个状态（16字节）进行字节替换。 - ShiftRows：行移位。 - MixColumns：列混合。 - AddRoundKey：轮密钥加。 同样，解密部分需要： - InvSubBytes - InvShiftRows - InvMixColumns 下面我们逐步实现。 注意：AES操作在一个4x4的状态矩阵上进行，数据按列优先排列？实际上，AES标准中状态矩阵是按列排列的，但我们在内存中通常按行存储？为了方便，我们约定状态矩阵是一个4x4的二维数组，其中state[i][j]表示第i行第j列（i=0..3, j=0..3）。在输入和输出时，数据是按列优先的（即输入的前4个字节分别是state[0][0], state[1][0], state[2][0], state[3][0]，接下来的4个字节是state[0][1]...）。但实现时，我们可以按行优先的二维数组处理，只要在输入输出时注意转换。 为简化，我们假设输入是一个16字节的数组，我们将其转换为4x4矩阵（按列填充）： 输入：in[0..15] 状态矩阵： state[0][0] = in[0], state[1][0] = in[1], state[2][0] = in[2], state[3][0] = in[3] state[0][1] = in[4], state[1][1] = in[5], ... 因此，我们可以这样填充状态矩阵。 下面我们开始代码框架。 注意：由于代码较长，我们将只写出关键部分，并省略一些细节（如S盒的具体数值，但会说明如何获取）。 首先，定义S盒和逆S盒（可以从AES标准中获取，这里我们直接定义，但实际代码中应包含完整的256个字节的S盒）。 同样，定义轮常数Rcon（一个数组，长度为10，因为10轮）。 由于篇幅限制，我们只写出关键函数，并假设S盒和Rcon已经定义好。 步骤： 1. 密钥扩展 2. 加密函数 3. 解密函数 下面我们分别实现。</think>### C语言实现AES加密算法 AES（高级加密标准）是一种广泛使用的对称加密算法，在C语言中实现需要理解其核心流程。以下是关键步骤和代码实现： #### 1. **密钥扩展** 根据引用[3]，密钥扩展生成N个子密钥（N为加密轮数）： ```c void KeyExpansion(uint8_t* key, uint32_t* w) { // 初始密钥分组为w0-w3 for (int i=0; i<4; i++) { w[i] = ((key[4*i]<<24) | (key[4*i+1]<<16) | (key[4*i+2]<<8) | key[4*i+3]); } for (int i=4; i<44; i++) { uint32_t temp = w[i-1]; if (i % 4 == 0) { // g函数：循环移位+S盒变换+轮常数异或 temp = SubWord(RotWord(temp)) ^ Rcon[i/4]; } w[i] = w[i-4] ^ temp; // 引用[3]的异或操作 } } ``` #### 2. **加密流程** ```c void AES_Encrypt(uint8_t* input, uint8_t* output, uint32_t* w) { uint8_t state[4][4]; // 初始化状态矩阵（按列填充） for (int i=0; i<4; i++) { for (int j=0; j<4; j++) { state[j][i] = input[i*4+j]; } } AddRoundKey(state, w, 0); // 初始轮密钥加 // 9轮完整变换 for (int round=1; round<10; round++) { SubBytes(state); // 字节替换 ShiftRows(state); // 行移位 MixColumns(state); // 列混合 AddRoundKey(state, w, round); // 轮密钥加 } // 最后一轮（无列混合） SubBytes(state); ShiftRows(state); AddRoundKey(state, w, 10); // 输出密文 for (int i=0; i<4; i++) { for (int j=0; j<4; j++) { output[i*4+j] = state[j][i]; } } } ``` #### 3. **核心变换操作 - **字节替换(SubBytes)**：使用S盒进行非线性替换 - **行移位(ShiftRows)**：第n行循环左移n字节 - **列混合(MixColumns)**：在有限域$GF(2^8)$上做矩阵乘法 ```c void MixColumns(uint8_t state[4][4]) { for (int i=0; i<4; i++) { uint8_t a0 = state[0][i]; uint8_t a1 = state[1][i]; uint8_t a2 = state[2][i]; uint8_t a3 = state[3][i]; state[0][i] = gmul(0x02, a0) ^ gmul(0x03, a1) ^ a2 ^ a3; state[1][i] = a0 ^ gmul(0x02, a1) ^ gmul(0x03, a2) ^ a3; state[2][i] = a0 ^ a1 ^ gmul(0x02, a2) ^ gmul(0x03, a3); state[3][i] = gmul(0x03, a0) ^ a1 ^ a2 ^ gmul(0x02, a3); } } ``` #### 4. **开发准备** 根据引用[2]： 1. 选择开发环境：GCC编译器 + CMake构建 2. 使用标准库：`<stdint.h>`确保数据类型一致性 3. 测试向量：使用NIST提供的标准测试数据验证 #### 5. **性能优化** - 使用查表法替代运算（如预计算S盒和列混合表） - 内联关键函数减少调用开销 - 使用硬件加速指令（如AES-NI） > 完整实现需包含：S盒/逆S盒、轮常数、逆变换函数等。解密流程是加密的逆过程，需实现`InvSubBytes`、`InvShiftRows`和`InvMixColumns`操作[^1][^2]。