高級加密標(biāo)準(zhǔn)算法R i j n d a e l的分析與應(yīng)用*

張青鳳 ，張鳳琴 ，王 蓉

（1.運城學(xué)院，公共計算機教學(xué)部，山西 運城 044000；2.空軍工程大學(xué)，計算機系，陜西 西安 710077）

1 Rijndael算法的背景

AES（Advanced Encryption Standard）是美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)局于1997年開始向全世界征集的加密標(biāo)準(zhǔn)[1]，屬于對稱加密算法，代表了當(dāng)今最先進(jìn)的編碼技術(shù)，最終獲勝的是RijnDael算法。統(tǒng)計顯示，即使使用目前世界上運算速度最快的計算機，窮盡128 bit密鑰也需要幾十億年的時間，更不用說去破解采用256 bit密鑰長度的AES算法了。

Rijndael算法由比利時計算機科學(xué)家Vincent Rijmen和 Joan Daemen 開發(fā)， 它使用 128 bit、192 bit、256 bit的密鑰長度，比 56 bit的 DES更健壯可靠[3]。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所選擇Rijndael作為美國政府加密標(biāo)準(zhǔn)AES的加密算法，取代早期的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES[1]。Rijndael作為一種迭代分組加密算法，其數(shù)據(jù)塊長度和密鑰長度均是可變的，因此它匯聚了強安全性、高性能、高效率、易用、靈活等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域中。

2 Rijndael算法的設(shè)計原理

Rijndael作為加密標(biāo)準(zhǔn)AES算法，其128 bit輸入分組用以字節(jié)為單位的矩陣方陣描述[4]。該數(shù)組被復(fù)制到State數(shù)組。數(shù)據(jù)塊長度、密鑰長度可以被設(shè)定為128 bit、192 bit、256 bit三個可選長度，相應(yīng)的加密輪數(shù)分別為10、12、14，每一輪循環(huán)都有一個循環(huán)密鑰，它來自于初始密鑰。

2.1 Rijndael算法的加密流程

加密過程分為四個階段：密鑰擴展、輪密鑰加、Nr-1（128 bit、192 bit、256 bit密鑰長度，Nr分別為 10、12、14）輪變換及最后一輪變換。輪變換包括字節(jié)代換、行移位、列混淆和輪密鑰加四個過程，最后一輪變換包括字節(jié)代換、行移位和輪密鑰加三個過程。其流程圖如圖1所示。

（1）狀態(tài)：指明文分組及每次變換的中間結(jié)果[4]，是一個4×Nb的矩陣，Nb為數(shù)據(jù)塊長度除以32。

（2）字符代換：用一個簡單的查表操作代替了基于矩陣乘法的復(fù)雜仿射變換。S盒是一個16×16字節(jié)矩陣，包含8 bit值所能表達(dá)的256種可能的變換。把Statc中每個字節(jié)的高4位作為行值，低4位作為列值，取出S盒中對應(yīng)行列的元素作為新的字節(jié)輸出。

圖1 Rijndael算法加密流程

（3）行移位：State的第一行保持不變，第 2、3、4行分別循環(huán)左移1、2、3個字節(jié)。

（4）列混淆：可表示為基于系數(shù)矩陣CoefMix與State的矩陣乘法。乘積矩陣中的每個元素S[i，j]是系數(shù)矩陣中一行元素CoefMix[i，k]與State矩陣中對應(yīng)一列元素State[k，j]的乘積之和。這里的加法與乘法都定義在有限域 GF（28）上：加法即按位“異或”操作，乘法遵循 GF（28）上的多項式乘法規(guī)則[2]。

（5）輪密鑰加：是基于 State列的操作，即把 State一列中的4個字節(jié)與輪密鑰RoundKey的1個字進(jìn)行 “異或”。

（6）擴展密鑰：以 4個字密鑰為輸入，生成 44字?jǐn)U展密鑰數(shù)組ω[44]，為初始輪密鑰加階段和后面10輪變換提供輪密鑰。輸入密鑰直接被復(fù)制到擴展密鑰數(shù)組的前4個字，然后每次用4個字填充擴展密鑰數(shù)組余下的部分[4]。 在擴展密鑰數(shù)組中，ω[i]值依賴于 ω[i-1]和 ω[i-4]。 ω 數(shù)組中下標(biāo)不是 4的倍數(shù)時，ω[i]為 ω[i-1]和ω[i-4]的“異或”。 下標(biāo)為 4的倍數(shù)時，首先將 ω[i-1]的4個字節(jié)循環(huán)左移1個字節(jié)，然后利用S盒對每個字節(jié)進(jìn)行字節(jié)代換，再與輪常量按位“異或”。輪常量是1個字，其最右邊3個字節(jié)為0，最左邊 1個字節(jié)的值 RC[j]與輪數(shù) j相關(guān)。 RC[1]=1，RC[j]=2·RC[j-1]，乘法定義在GF（28）上。RC[j]值以十六進(jìn)制表示。

（7）加密輪數(shù) Nr：在 Rijndael算法中，運算的輪數(shù)（Nr）是由Nb及Nk所決定的[4]，輪數(shù)的變動定義如表1所示。

表1 Nr、Nb、Nk 關(guān)系

2.2 解密過程

Rijndael解密過程是加密的逆過程，每輪循環(huán)中的步驟都被它們的逆所替換，值得注意的是：循環(huán)密鑰使用起來應(yīng)該顛倒次序。

3 Rijndael算法的應(yīng)用

Rijindael算法常被用于文件的加解密過程，加密時先將讀入的明文依次分組，用加密密鑰將明文加密后寫入文件中；解密時用解密密鑰將文件中的密文解密后將明文寫入結(jié)果文件中。

3.1 Rijindael算法在文件加解密應(yīng)用的實現(xiàn)

3.2 加密模塊實現(xiàn)

3.3 解密模塊的實現(xiàn)

Rijndael算法一直經(jīng)受著世界各國密碼機構(gòu)和專家的攻擊，最有名的當(dāng)屬 Squre攻擊[4]。目前Rijndael算法已被廣泛應(yīng)用于身份認(rèn)證、數(shù)字簽名、數(shù)據(jù)加密等方面，由于硬件的加解密速度要比軟件快，且可在物理上保證系統(tǒng)安全，國內(nèi)很多單位用硬件的方法來實現(xiàn)該算法。

[1]段鋼.加密與解密（第 3版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2]馮登國.信息安全中的數(shù)學(xué)方法與技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3]Http：//zhidao.baidu.com.

[4]DAEMEN J，RIJMAN V.高級加密標(biāo)準(zhǔn)算法（AES）—Rijndael的設(shè)計[M].谷大武，徐勝波譯.北京：清華大學(xué)出版社，2003.