淺析ＡＥＳ加密算法

甘　佺

[摘要]當(dāng)代主流加密算法AES的研究背景，算法簡介和具體實現(xiàn)方法，包括對AES標(biāo)準(zhǔn)中運(yùn)行時間過長的函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，和WINDOWS下AES軟件開發(fā)的簡介。

[關(guān)鍵詞]AES 加密算法 背景 算法實現(xiàn) 程序優(yōu)化 軟件設(shè)計

中圖分類號：TP3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0420066－01

一、當(dāng)代加密算法AES

（一）AES算法簡介

AES的全稱是Advanced Encryption Standard，即高級加密標(biāo)準(zhǔn)。2000年10月，NIST（美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)會）宣布通過從15種候選算法中選出的一項新的密匙加密標(biāo)準(zhǔn)。Rijndael被選中成為將來的AES。Rijnda

-el是在1999年下半年，由研究員Joan Daemen和Vincent Rijmen創(chuàng)建的。AES正日益成為加密各種形式的電子數(shù)據(jù)的實際標(biāo)準(zhǔn)。

高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)是美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院針對電子數(shù)據(jù)的加密所制定的規(guī)范，它將要成為公認(rèn)的數(shù)字信息（包括財務(wù)數(shù)據(jù)、電信數(shù)據(jù)和政府?dāng)?shù)據(jù)）加密方法。AES是一種可用來保護(hù)電子數(shù)據(jù)的新型加密算法?？梢允褂?28、192和256位密鑰的迭代式對稱密鑰塊密碼，并且可以對128位（16個字節(jié)）的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行加密和解密。

（二）AES在現(xiàn)實中的應(yīng)用

AES算法標(biāo)準(zhǔn)給出了數(shù)學(xué)說明以及部分程序偽碼，但是程序運(yùn)行效率較低，無法達(dá)到實際應(yīng)用要求。同時改進(jìn)后的程序普遍涉及到版權(quán)問題，無法在實際開發(fā)中直接使用。盡管如此在程序人員對AES程序進(jìn)行自主改進(jìn)后，AES作為新一代的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點，強(qiáng)安全性、高性能、高效率、易用和靈活等優(yōu)點就完全體現(xiàn)出來，因此AES加密算法成為美國乃至世界新的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)而被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。

二、AES加密算法的實現(xiàn)

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的文字描述：AES加密算法包括加密和解密2大部分，加密部分具體實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的加密和參數(shù)文件的生成，解密部分具體實現(xiàn)對已加密文件的解密和參數(shù)文件的刪除，具體實現(xiàn)過程較為復(fù)雜，在AES的標(biāo)準(zhǔn)式樣書中可以查看具體實現(xiàn)文檔，由于篇幅原因本文只詳細(xì)介紹在實現(xiàn)中應(yīng)用AES加密算法最重要的優(yōu)化部分。

（二）AES加密算法的優(yōu)化

優(yōu)化原因：按照AES算法的理論設(shè)計的，在實際的應(yīng)用中運(yùn)行速度慢，加密10M的文件需要幾十秒的時間，無法達(dá)到實際應(yīng)用的要求。所以需要針對標(biāo)準(zhǔn)算法進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化方法：1．將所有的乘除運(yùn)算轉(zhuǎn)換為位運(yùn)算，例如，A*16可以轉(zhuǎn)換為將A左移4位。這種方法根據(jù)客戶的測試的結(jié)論，可以提高50％的運(yùn)行速度。2．修改加密的算法的邏輯，將其中最耗時的MixColumns函數(shù)改進(jìn)。具體的方法是簡化MixColumns函數(shù)中進(jìn)行的矩陣運(yùn)算。把矩陣運(yùn)算先計算出來，以數(shù)組方式直接在頭文件中定義，在運(yùn)算時直接使用這個數(shù)組。同時，為使用預(yù)先計算的數(shù)組，需要將四個函數(shù)的算法統(tǒng)一編寫，形成新的程序結(jié)構(gòu)。

MixColumns函數(shù)代碼如下：

void MixColumns(word8 a[4][MAXBC])

/*Mix the four bytes of every column in a linear way*/

word8 b[4][MAXBC];

int i，j;

for(j=0;j

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

b[i][j] = mul(2，a[i][j])

^ mul(3，a[(i+1) % 4][j])

^ a[(i+2) % 4][j]

^ a[(i+3) % 4][j];

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

for(j=0;j

a[i][j] = b[i][j];

}

此代碼運(yùn)行時間過長，先將此矩陣結(jié)果算出后能大大縮短程序運(yùn)行時間，改進(jìn)后代碼由于篇幅過長無法詳細(xì)列舉。

（三）基于WINDOWS操作系統(tǒng)的AES加密軟件設(shè)計

1．開發(fā)環(huán)境。參數(shù)文件生成程序：運(yùn)行環(huán)境為Windows XP操作系統(tǒng)。使用MSC開發(fā)，可以使用MFC，程序要求可以在未安裝VC++的系統(tǒng)中運(yùn)行。解密程序：運(yùn)行環(huán)境為Cygwin。使用ANSI C開發(fā)，使用GCC編譯。

2．參數(shù)文件的定義

AES加密算法中的參數(shù)文件使用文本形式，主要包含內(nèi)容有：

（1）密鑰長度：AES提供128、192和256三種密鑰長度可任意選擇。

（2）密鑰生成方式：有DEFAULT、FILE或INPUT三種方式生成密鑰，DEFAULT表示默認(rèn)方法，F(xiàn)ILE表示通過哈希算法生成密鑰，INPUT表示通過用戶自己輸入密鑰。

（3）保存密鑰：密鑰生成后保存在參數(shù)文件中。（如果是FILE方式生成密鑰則保存密鑰路徑）。

（4）輸入路徑：待加密文件路徑。

（5）輸出路徑：加密后文件輸出路徑。

3．詳細(xì)式樣設(shè)計

（1）加密部分：加密部分主要包含、密鑰生成、密鑰長度選擇、參數(shù)文件生成路徑、輸出和輸入路徑等等。

①密鑰長度指定，可以建立一個下拉菜單，設(shè)置128、192和256三種選項。②密鑰生成：有三項選擇具體為默認(rèn)密鑰生成；用哈希算法產(chǎn)生的密鑰文件作為密鑰；用戶隨機(jī)輸入密鑰。③輸出輸入路徑設(shè)置：輸入路徑為待加密文件路徑，輸出路徑為文件加密后生成的加密文件保存路徑，可以設(shè)置默認(rèn)項，也可以由用戶自己設(shè)置。④參數(shù)文件指定：生成參數(shù)文件的保存路徑。

（2）解密部分：解密部分包含密鑰輸入、參數(shù)文件調(diào)用、待解密文件輸入、解密文件輸出等。

①密鑰輸入可以選擇默認(rèn)密鑰和用戶自己輸入加密時密鑰，還可以放棄輸入密鑰直接調(diào)用參數(shù)文件。②參數(shù)文件調(diào)用：調(diào)用和待解密文件相匹配的參數(shù)文件，參數(shù)文件包含通過哈希算法計算出來的密鑰，待解密文件路徑等。③路徑選擇：包括待解密文件路徑（如果不輸入路徑可以直接輸入文件名）；輸出路徑為文件解密完成后的輸出

路徑。④解密完成后參數(shù)文件會被刪除。

三、結(jié)論

AES加密算法已經(jīng)在現(xiàn)實中得到了廣泛的應(yīng)用，學(xué)習(xí)AES加密算法的編程能讓你更加了解當(dāng)代加密算法的具體形式與邏輯，正是因為AES加密算法這樣的為保護(hù)信息安全軟件的產(chǎn)生才能讓IT技術(shù)更加健康的向前發(fā)展，在電子交易，寬帶通信，信息傳輸?shù)鹊确矫娑加蠥ES加密算法的影子，本文已較小的篇幅從幾個方面簡單地分析了AES加密算法，介紹了AES在WINDOWS下的軟件編寫和詳細(xì)的式樣分析，從幾個方面簡單的分析了AES加密算法。