基于ＡＥＳ加密算法的消息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈　俊

[摘要]AES是一種對(duì)稱分組密碼算法，它是廣泛應(yīng)用的新標(biāo)準(zhǔn)。首先介紹AES加密算法的基本操作和流程。隨后討論AES加密算法的實(shí)現(xiàn)。最后，闡述一個(gè)基于AES加密算法的消息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

[關(guān)鍵詞]AES加密 消息系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)安全

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2009）0110052-02

一、引言

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)協(xié)會(huì)（NIST）在2001年發(fā)布了高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）。AES是一種對(duì)稱分組密碼算法，用以取代DES的商業(yè)應(yīng)用，從而成為廣泛使用的新標(biāo)準(zhǔn)。其分組長(zhǎng)度為128位，密鑰長(zhǎng)度為128位，192位或256位，其中128位的密鑰長(zhǎng)度最常用。以下各節(jié)介紹了一個(gè)基于AES加密算法的消息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

二、AES加密算法簡(jiǎn)介

AES加密算法1、2中128位密鑰是最常用的，故以128位密鑰為例介紹。AES加密算法有四種基本的操作：

1．字節(jié)代換：用一個(gè)S盒完成分組中的按字節(jié)代換。

2．行移位：一個(gè)簡(jiǎn)單的基于行的置換。

3．列混淆：一個(gè)利用在域GF(28)上算術(shù)特性的代換。

4．輪密鑰加：用當(dāng)前分組和擴(kuò)展密鑰的一部分進(jìn)行按位異或。

AES加密、解密算法的流程如圖1所示：

圖1中，輸入的密鑰將被擴(kuò)展成由44個(gè)32位字組成的數(shù)組W[i]，在每輪加解密過程中有四個(gè)字（128位）的密鑰。

AES加密算法的詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考文獻(xiàn)[1]。

三、AES加密算法實(shí)現(xiàn)

AES加密算法中，S盒的初始化和列混淆變換都要用到有限域GF(28)上的運(yùn)算乘法和加法。因此先闡述有限域GF(28)上運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)，再介紹AES加密算法的實(shí)現(xiàn)。

（一）有限域GF(28)上運(yùn)算實(shí)現(xiàn)

一個(gè)專門的GF2NOP_1B類被用來進(jìn)行一字節(jié)（8位）的加法、乘法和循環(huán)左右移位運(yùn)算，類的主要方法在AES加密算法中會(huì)被調(diào)用。

1．加法

GF（28）上的加法實(shí)際上就是按位異或運(yùn)算。代碼如下：

GF2NOP_1B GF2NOP_1B：：operator+（ubyte ubV）//typedef unsigned

char ubyte；

{

GF2NOP_1B gfR；

gfR = this->ubValue ^ ubV； //XOR

return gfR；

}

2．乘法

乘法要稍微復(fù)雜一些，不能只用簡(jiǎn)單的異或運(yùn)算。但是可以使用一種合理而容易實(shí)現(xiàn)的技巧，原理請(qǐng)見參考文獻(xiàn)[2]，這里只給出實(shí)現(xiàn)：

GF2NOP_1B GF2NOP_1B：：operator * （ubyte ubV）

{

GF2NOP_1B gfR = 0；

ubyte ubMulN = ubV；

ubyte ubMN = （ubyte）iMODNUM_8； //iMODNUM_8 = 00011011b

ubyte ubTmp；

int i；

for （i = 0； ubMulN； ubMulN >>= 1， i++） {

if （i == 0）

ubTmp = this->ubValue；

else {

if （ubTmp &0x80） {

ubTmp <<= 1；

ubTmp ^= ubMN；

}

else

ubTmp <<= 1；

}

if （ubMulN & 1） {

gfR = gfR + ubTmp；

}

}

return gfR；

}

代碼中還有一個(gè)類GF2NOP_4B是實(shí)現(xiàn)有限域GF(28)上4字節(jié)的運(yùn)算，使得AES算法在32位機(jī)上用32位字操作會(huì)更緊湊更高效。

（二）AES加解密算法及實(shí)現(xiàn)

一個(gè)AESCrypt類被用來實(shí)現(xiàn)AES加解密，其主要方法有：密鑰擴(kuò)展、輪密鑰加、字節(jié)代換、行移位、列混淆。其中，字節(jié)代換是用查表法實(shí)現(xiàn)的，列混淆是矩陣的乘法實(shí)現(xiàn)的，其它幾個(gè)方法也比較容易實(shí)現(xiàn)。

圖1所示AES加密算法和解密算法不同，采取兩處改進(jìn)[2]可以使解密算法的結(jié)構(gòu)和加密算法的結(jié)構(gòu)一致。分別是，在解密輪中，交換逆向行移位和逆向字節(jié)代換，交換輪密鑰加和逆向列混淆。

逆向行移位影響字節(jié)的順序，但不更改字節(jié)的內(nèi)容，也不依賴字節(jié)的內(nèi)容來進(jìn)行它的變換。逆向字節(jié)代換影響字節(jié)的內(nèi)容，但不更改字節(jié)的順序同時(shí)也不依賴字節(jié)的順序來進(jìn)行它的變換。因此，這兩個(gè)操作可以交換。如對(duì)一個(gè)給定的State Si：

逆向行移位[逆向字節(jié)代換（Si）]=逆向字節(jié)代換[逆向行移位（Si）] （1）

類似的第二處改進(jìn)也可以用一個(gè)算式表示，即對(duì)給定的State Si和給定的輪密鑰wj：

InvMixColumns（Si^wj）= [InvMixColumns（Si）]^[InvMixColumns（wj）] （2）

其中“^”符號(hào)表示異或，上式的證明見文獻(xiàn)[2]。至此，加、解密的輪函數(shù)已經(jīng)統(tǒng)一起來了，輪函數(shù)的C++聲明如下：

int AESCrypt：：RoundFun（int iRound， int iEDFlag）；

參數(shù)iRound是輪數(shù)，加密時(shí)是1到10，解密時(shí)是9到0；iEDFlag是加、解密標(biāo)志，真值為解密。輪函數(shù)的UML[3]活動(dòng)圖如圖2所示：

圖2清楚地描繪了AES加、解密算法的輪函數(shù)，圖中最后一個(gè)分支處當(dāng)解密并且iRound!=0時(shí)有三步操作：ExpandKey[iRound]列逆混淆、輪密鑰加、ExpandKey[iRound]列混淆。第一、二步與前面的States[iRound]列逆混淆完成了上述式（2）等號(hào)右邊的運(yùn)算，而第三步則是為了還原ExpandKey[iRo

und]。

四、消息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

這里設(shè)計(jì)的消息系統(tǒng)是C/S結(jié)構(gòu)的，客戶端通過服務(wù)器與另一個(gè)客戶端聯(lián)系。服務(wù)器端的主要功能是：接受管理客戶端的連接請(qǐng)求，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)客戶端的消息。其UML構(gòu)件圖如圖3。

TCP/IP接口構(gòu)件是對(duì)Socket API的封裝，為上層構(gòu)件提供接口；數(shù)據(jù)庫(kù)接口構(gòu)件是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問操作的封裝，為上層構(gòu)件提供接口?？蛻舳诉B接請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，經(jīng)由AES加解密構(gòu)件解密后由連接管理構(gòu)件管理，并反饋以密鑰生成構(gòu)件隨機(jī)生成的密鑰；當(dāng)有消息到達(dá)時(shí)，AES加解密構(gòu)件對(duì)其解密后，由消息處理構(gòu)件進(jìn)行處理，由消息存檔構(gòu)件存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并由消息分發(fā)構(gòu)件向連接管理構(gòu)件查詢目標(biāo)地址后交由TCP/IP接口構(gòu)件發(fā)送。

客戶端程序比較簡(jiǎn)單，主要的流程如圖4的UML活動(dòng)圖。

圖4中請(qǐng)求連接時(shí)的請(qǐng)求數(shù)據(jù)是用默認(rèn)密鑰進(jìn)行加密的，服務(wù)器響應(yīng)后會(huì)返回新密鑰，以后的會(huì)話都使用新密鑰進(jìn)

行。監(jiān)聽和等待發(fā)送是由兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行的。這兩個(gè)線程一般都是在等待睡眠中，所以CPU占用率很低。

五、結(jié)束語

以上由介紹AES加密算法開始闡述了一個(gè)基于AES加密算法的消息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這里介紹的這個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)初步的雛形，尚只在局域網(wǎng)內(nèi)應(yīng)用。此系統(tǒng)存在的缺陷是用默認(rèn)的AES密鑰加密來傳輸AES新密鑰，很容易被黑客破解。為了使系統(tǒng)更安全，下一步的工作是將AES密鑰用RSA算法加密后再傳輸。

參考文獻(xiàn)：

[1]Deamen，j.and Rijmen，V.“Rijndael： The Advanced Encryption Standard.”Dr.Dobb's Journal， March 2001.

[2]孟慶樹、王麗娜、傅建明等譯，William Stallings.密碼編碼學(xué)與網(wǎng)絡(luò)安全：原理與實(shí)踐[M].第四版.北京：電子工業(yè)出版社，2006：66-125.

[3]李洋、鄭龑等譯，Larman，C.UML和模式應(yīng)用[M].第三版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：

沈俊，男，浙江省湖州人，同濟(jì)大學(xué)碩士研究生，主要從事網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試平臺(tái)通信安全的研究。