AES加密解密算法

时间:2024.5.13

集美大学计算机工程学院实验报告

课程名称:

指导教师:

实验项目名称:AES加密解密算法

实验项目编号: 班级: 姓名: 学号: 组号: 实验成绩: 上机实践日期: 上机实践时间: 2学时 一、 实验目的

学习AES加密的方法。

二、实验内容与设计思想

编写AES加密解密算法,并测试。

三、实验使用环境

操作系统: Microsoft Windows 7

编程环境:Visual C++ 6.0

四、实验步骤和调试过程

// AES.h

#ifndef AES_H_

#define AES_H_

#include <bitset>

#include <utility>

using namespace std;

class AES

{

public:

typedef unsigned char byte;

static const int KEY_SIZE = 16; //

static const int N_ROUND = 11;

byte plainText[16]; // 明文

byte state[16]; // 当前分组。

byte cipherKey[16]; // 密钥

byte roundKey[N_ROUND][16]; //轮密钥

byte cipherText[16]; //密文

byte SBox[16][16]; // S盒

byte InvSBox[16][16]; // 逆S盒

void EncryptionProcess();

void DecryptionProcess();

void Round(const int& round);

void InvRound(const int& round); 密钥长度为位

void FinalRound();

void InvFinalRound();

void KeyExpansion();

void AddRoundKey(const int& round);

void SubBytes();

void InvSubBytes();

void ShiftRows();

void InvShiftRows();

void MixColumns();

void InvMixColumns();

void BuildSBox();

void BuildInvSBox();

void InitialState(const byte* text);

void InitialCipherText();

void InitialplainText();

byte GFMultplyByte(const byte& left, const byte& right);

const byte* GFMultplyBytesMatrix(const byte* left, const byte* right); public:

AES();

const byte* Cipher(const byte* text, const byte* key, const int& keySize); const byte* InvCipher(const byte* text, const byte* key, const int& keySize); };

void AES::EncryptionProcess()

{ // 加密过程

InitialState(plainText);

KeyExpansion(); // 密钥扩展

AddRoundKey(0); // 轮密钥加

for(int i = 1; i < N_ROUND-1; ++i)

{

Round(i);

}

FinalRound();

InitialCipherText();

}

void AES::DecryptionProcess()

{ // 解密过程

InitialState(cipherText);

KeyExpansion();

InvFinalRound();

for(int i = N_ROUND-2; i > 0 ; --i)

{

InvRound(i);

}

AddRoundKey(0);

InitialplainText();

}

void AES::Round(const int& round) { // 正常轮

SubBytes();

ShiftRows();

MixColumns();

AddRoundKey(round); }

void AES::InvRound(const int& round) { // 正常轮的逆

AddRoundKey(round);

InvMixColumns();

InvShiftRows();

InvSubBytes(); }

void AES::FinalRound()

{ // 最后轮

SubBytes();

ShiftRows();

AddRoundKey(N_ROUND - 1); }

void AES::InvFinalRound()

{ // 最后轮的逆

AddRoundKey(N_ROUND - 1); InvShiftRows();

InvSubBytes();

}

void AES::KeyExpansion()

{ // 密钥扩展

const byte rcon[N_ROUND][4] = { {0x00, 0x00, 0x00, 0x00}, {0x01, 0x00, 0x00, 0x00}, {0x02, 0x00, 0x00, 0x00}, {0x04, 0x00, 0x00, 0x00}, {0x08, 0x00, 0x00, 0x00}, {0x10, 0x00, 0x00, 0x00}, {0x20, 0x00, 0x00, 0x00},

{0x40, 0x00, 0x00, 0x00},

{0x80, 0x00, 0x00, 0x00},

{0x1b, 0x00, 0x00, 0x00},

{0x36, 0x00, 0x00, 0x00} };

for(int i = 0; i < 16; ++i)

{

roundKey[0][i] = cipherKey[i];

}

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

{ // roundKey[0][16]为cipherKey的转置矩阵

for(int j = 0; j < 4; ++j)

{

roundKey[0][4*i + j] = cipherKey[4*j + i];

}

}

for(int roundIndex = 1; roundIndex < N_ROUND; ++roundIndex)

{

byte rotWord[4] = {0x00};

rotWord[0] = roundKey[roundIndex - 1][3];

rotWord[1] = roundKey[roundIndex - 1][7];

rotWord[2] = roundKey[roundIndex - 1][11];

rotWord[3] = roundKey[roundIndex - 1][15];

std::swap<byte>(rotWord[0], rotWord[1]);

std::swap<byte>(rotWord[1], rotWord[2]);

std::swap<byte>(rotWord[2], rotWord[3]);

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

{

rotWord[i] = SBox[ rotWord[i] >> 4][ rotWord[i] & 0x0f ]; roundKey[roundIndex][4*i] = roundKey[roundIndex - 1][4*i] ^ rotWord[i] ^ rcon[roundIndex][i];

}

for(int j = 1; j < 4; ++j)

{

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

{

roundKey[roundIndex][4*i + j] = roundKey[roundIndex - 1][4*i + j] ^ roundKey[roundIndex][4*i + j - 1];

}

}

}

}

void AES::AddRoundKey(const int& round)

{ // 轮密钥加

for(int i = 0; i < 16; ++i)

{ // 利用当前分组state和第round组扩展密钥进行按位异或 state[i] ^= roundKey[round][i];

}

}

void AES::SubBytes()

{ // 字节代换

for(int i = 0; i < 16; ++i)

{

state[i] = SBox[ state[i] >> 4][ state[i] & 0x0f ]; }

}

void AES::InvSubBytes()

{ // 逆字节代换

for(int i = 0; i < 16; ++i)

{

state[i] = InvSBox[ state[i] >> 4][ state[i] & 0x0f ]; }

}

void AES::ShiftRows()

{ // 行变换

//state第一行保持不变

// Do nothing.

//state第二行循环左移一个字节

std::swap<byte>(state[4], state[5]);

std::swap<byte>(state[5], state[6]);

std::swap<byte>(state[6], state[7]);

//state第三行循环左移两个字节

std::swap<byte>(state[8], state[10]);

std::swap<byte>(state[9], state[11]);

//state第三行循环左移三个字节

std::swap<byte>(state[14], state[15]);

std::swap<byte>(state[13], state[14]);

std::swap<byte>(state[12], state[13]);

}

void AES::InvShiftRows()

{ // 行变换反演

//state第一行保持不变

// Do nothing.

//state第二行循环右移一个字节

std::swap<byte>(state[6], state[7]);

std::swap<byte>(state[5], state[6]);

std::swap<byte>(state[4], state[5]);

//state第三行循环右移两个字节

std::swap<byte>(state[9], state[11]);

std::swap<byte>(state[8], state[10]);

//state第三行循环右移三个字节

std::swap<byte>(state[12], state[13]);

std::swap<byte>(state[13], state[14]);

std::swap<byte>(state[14], state[15]);

}

void AES::MixColumns()

{ // 列混淆

byte matrix[4][4] = {

{0x02, 0x03, 0x01, 0x01},

{0x01, 0x02, 0x03, 0x01},

{0x01, 0x01, 0x02, 0x03},

{0x03, 0x01, 0x01, 0x02}};

const byte* temp = GFMultplyBytesMatrix((byte*)matrix, state); for(int i = 0; i < 16; ++i)

{

state[i] = temp[i];

}

delete[] temp;

}

void AES::InvMixColumns()

{ // 列混淆反演

byte matrix[4][4] = {

{0x0e, 0x0b, 0x0d, 0x09},

{0x09, 0x0e, 0x0b, 0x0d},

{0x0d, 0x09, 0x0e, 0x0b},

{0x0b, 0x0d, 0x09, 0x0e} };

const byte* temp = GFMultplyBytesMatrix((byte*)matrix, state); for(int i = 0; i < 16; ++i)

{

state[i] = temp[i];

}

delete[] temp;

}

void AES::BuildSBox()

{ // 构建S盒

byte box[16][16] =

{

/* 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a

b c d e f */

/*0*/ {0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, 0xf2, 0x6b, 0x6f, 0xc5, 0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, 0xfe, 0xd7, 0xab, 0x76},

/*1*/ {0xca, 0x82, 0xc9, 0x7d, 0xfa, 0x59, 0x47, 0xf0, 0xad, 0xd4, 0xa2, 0xaf, 0x9c, 0xa4, 0x72, 0xc0},

/*2*/ {0xb7, 0xfd, 0x93, 0x26, 0x36, 0x3f, 0xf7, 0xcc, 0x34, 0xa5, 0xe5, 0xf1, 0x71, 0xd8, 0x31, 0x15},

/*3*/ {0x04, 0xc7, 0x23, 0xc3, 0x18, 0x96, 0x05, 0x9a, 0x07, 0x12, 0x80, 0xe2, 0xeb, 0x27, 0xb2, 0x75},

/*4*/ {0x09, 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a, 0xa0, 0x52, 0x3b, 0xd6, 0xb3, 0x29, 0xe3, 0x2f, 0x84},

/*5*/ {0x53, 0xd1, 0x00, 0xed, 0x20, 0xfc, 0xb1, 0x5b, 0x6a, 0xcb, 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, 0xcf},

/*6*/ {0xd0, 0xef, 0xaa, 0xfb, 0x43, 0x4d, 0x33, 0x85, 0x45, 0xf9, 0x02, 0x7f, 0x50, 0x3c, 0x9f, 0xa8},

/*7*/ {0x51, 0xa3, 0x40, 0x8f, 0x92, 0x9d, 0x38, 0xf5, 0xbc, 0xb6, 0xda, 0x21, 0x10, 0xff, 0xf3, 0xd2},

/*8*/ {0xcd, 0x0c, 0x13, 0xec, 0x5f, 0x97, 0x44, 0x17, 0xc4, 0xa7, 0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73},

/*9*/ {0x60, 0x81, 0x4f, 0xdc, 0x22, 0x2a, 0x90, 0x88, 0x46, 0xee, 0xb8, 0x14, 0xde, 0x5e, 0x0b, 0xdb},

/*a*/ {0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c, 0xc2, 0xd3, 0xac, 0x62, 0x91, 0x95, 0xe4, 0x79},

/*b*/ {0xe7, 0xc8, 0x37, 0x6d, 0x8d, 0xd5, 0x4e, 0xa9, 0x6c, 0x56, 0xf4, 0xea, 0x65, 0x7a, 0xae, 0x08},

/*c*/ {0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, 0xa6, 0xb4, 0xc6, 0xe8, 0xdd, 0x74, 0x1f, 0x4b, 0xbd, 0x8b, 0x8a},

/*d*/ {0x70, 0x3e, 0xb5, 0x66, 0x48, 0x03, 0xf6, 0x0e, 0x61, 0x35, 0x57, 0xb9, 0x86, 0xc1, 0x1d, 0x9e},

/*e*/ {0xe1, 0xf8, 0x98, 0x11, 0x69, 0xd9, 0x8e, 0x94, 0x9b, 0x1e, 0x87, 0xe9, 0xce, 0x55, 0x28, 0xdf},

/*f*/ {0x8c, 0xa1, 0x89, 0x0d, 0xbf, 0xe6, 0x42, 0x68, 0x41, 0x99, 0x2d, 0x0f, 0xb0, 0x54, 0xbb, 0x16}

};

for(int i = 0; i < 16; ++i)

{

for(int j = 0; j < 16; ++j)

{

SBox[i][j] = box[i][j];

}

}

}

void AES::BuildInvSBox()

{ // 构建逆S盒

byte box[16][16] =

{

/* 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f */

/*0*/ {0x52, 0x09, 0x6a, 0xd5, 0x30, 0x36, 0xa5, 0x38, 0xbf, 0x40, 0xa3, 0x9e, 0x81, 0xf3, 0xd7, 0xfb},

/*1*/ {0x7c, 0xe3, 0x39, 0x82, 0x9b, 0x2f, 0xff, 0x87, 0x34, 0x8e, 0x43, 0x44, 0xc4, 0xde, 0xe9, 0xcb},

/*2*/ {0x54, 0x7b, 0x94, 0x32, 0xa6, 0xc2, 0x23, 0x3d, 0xee, 0x4c, 0x95, 0x0b, 0x42, 0xfa, 0xc3, 0x4e},

/*3*/ {0x08, 0x2e, 0xa1, 0x66, 0x28, 0xd9, 0x24, 0xb2, 0x76, 0x5b, 0xa2, 0x49, 0x6d, 0x8b, 0xd1, 0x25},

/*4*/ {0x72, 0xf8, 0xf6, 0x64, 0x86, 0x68, 0x98, 0x16, 0xd4, 0xa4, 0x5c, 0xcc, 0x5d, 0x65, 0xb6, 0x92},

/*5*/ {0x6c, 0x70, 0x48, 0x50, 0xfd, 0xed, 0xb9, 0xda, 0x5e, 0x15, 0x46, 0x57, 0xa7, 0x8d, 0x9d, 0x84},

/*6*/ {0x90, 0xd8, 0xab, 0x00, 0x8c, 0xbc, 0xd3, 0x0a, 0xf7, 0xe4, 0x58, 0x05, 0xb8, 0xb3, 0x45, 0x06},

/*7*/ {0xd0, 0x2c, 0x1e, 0x8f, 0xca, 0x3f, 0x0f, 0x02, 0xc1, 0xaf, 0xbd, 0x03, 0x01, 0x13, 0x8a, 0x6b},

/*8*/ {0x3a, 0x91, 0x11, 0x41, 0x4f, 0x67, 0xdc, 0xea, 0x97, 0xf2, 0xcf, 0xce, 0xf0, 0xb4, 0xe6, 0x73},

/*9*/ {0x96, 0xac, 0x74, 0x22, 0xe7, 0xad, 0x35, 0x85, 0xe2, 0xf9, 0x37, 0xe8, 0x1c, 0x75, 0xdf, 0x6e},

/*a*/ {0x47, 0xf1, 0x1a, 0x71, 0x1d, 0x29, 0xc5, 0x89, 0x6f, 0xb7, 0x62, 0x0e, 0xaa, 0x18, 0xbe, 0x1b},

/*b*/ {0xfc, 0x56, 0x3e, 0x4b, 0xc6, 0xd2, 0x79, 0x20, 0x9a, 0xdb, 0xc0, 0xfe, 0x78, 0xcd, 0x5a, 0xf4},

/*c*/ {0x1f, 0xdd, 0xa8, 0x33, 0x88, 0x07, 0xc7, 0x31, 0xb1, 0x12, 0x10, 0x59, 0x27, 0x80, 0xec, 0x5f},

/*d*/ {0x60, 0x51, 0x7f, 0xa9, 0x19, 0xb5, 0x4a, 0x0d, 0x2d, 0xe5, 0x7a, 0x9f, 0x93, 0xc9, 0x9c, 0xef},

/*e*/ {0xa0, 0xe0, 0x3b, 0x4d, 0xae, 0x2a, 0xf5, 0xb0, 0xc8, 0xeb, 0xbb, 0x3c, 0x83, 0x53, 0x99, 0x61},

/*f*/ {0x17, 0x2b, 0x04, 0x7e, 0xba, 0x77, 0xd6, 0x26, 0xe1, 0x69, 0x14, 0x63, 0x55, 0x21, 0x0c, 0x7d}

};

for(int i = 0; i < 16; ++i)

{

for(int j = 0; j < 16; ++j)

{

InvSBox[i][j] = box[i][j];

}

}

}

void AES::InitialState(const byte* text)

{ // state初始时候为明(密)文矩阵的转置矩阵

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

{ //转置text存放在state中

for(int j = 0; j < 4; ++j)

{

state[4*i + j] = text[4*j + i];

}

}

}

void AES::InitialCipherText()

{ // state被复制到输出矩阵中

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

{ //转置state存放在cipherText中

for(int j = 0; j < 4; ++j)

{

cipherText[4*i + j] = state[4*j + i];

}

}

}

void AES::InitialplainText()

{ // state被复制到输入矩阵中

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

{ //转置state存放在plainText中

for(int j = 0; j < 4; ++j)

{

plainText[4*i + j] = state[4*j + i];

}

}

}

AES::byte AES::GFMultplyByte(const byte& left, const byte& right)

{ //有限域GF(2^8)上的乘法

byte temp[8];

bitset<8> bits((unsigned long)right); //把right化为个二进制位存放在bits中 temp[0] = left;

for(int i = 1; i < 8; ++i)

{

if(temp[i-1] >= 0x80) //若(temp[i-1] 首位为"1"

{

temp[i] = temp[i-1] << 1;

temp[i] = temp[i] ^ 0x1b; //与(00011011)异或

}

else

{

temp[i] = temp[i-1] << 1;

}

}

byte result = 0x00;

for(int i = 0; i < 8; ++i)

{

if(bits[i] == 1)

{

result ^= temp[i];

}

}

return result;

}

const AES::byte* AES::GFMultplyBytesMatrix(const byte* left, const byte* right) { //有限域GF(2^8)上的矩阵(4*4)乘法

AES::byte* result = new AES::byte[16];

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

{

for(int j = 0; j < 4; ++j)

{

result[4*i + j] = GFMultplyByte(left[4*i], right[j]);

for(int k = 1; k < 4; ++k)

{

result[4*i + j] ^= GFMultplyByte(left[4*i + k], right[4*k + j]); }

}

}

return result;

}

AES::AES()

{

BuildSBox();

BuildInvSBox();

}

const AES::byte* AES::Cipher(const byte* text, const byte* key, const int& keySize)

{ // 用key给text加密

for(int i = 0; i < 16; ++i)

{

plainText[i] = text[i];

}

for(int i = 0; i < keySize; ++i)

{

cipherKey[i] = key[i];

}

EncryptionProcess();

return cipherText;

}

const AES::byte* AES::InvCipher(const byte* text, const byte* key, const int& keySize)

{ // 用key给text解密

for(int i = 0; i < 16; ++i)

{

cipherText[i] = text[i];

}

for(int i = 0; i < keySize; ++i)

{

cipherKey[i] = key[i];

}

DecryptionProcess();

return plainText;

}

#endif /* AES_H_ */

//AES.CPP

// main.cpp

#include "stdafx.h"

#include <string>

#include <fstream>

#include <iostream>

#include "AES.h"

using namespace std;

int main(int argc, char* argv[])

{

const string USAGE = "Usage: AES [-E | -D] destinationfile sourcefile keyfile ";

if(argc != 5)

{

cout << USAGE << endl;

return 1;

}

ifstream is(argv[3], ios::in | ios::binary);

if(!is)

{

cerr << "InputFileNotFoundException" << endl;

return 2;

}

ifstream ks(argv[4], ios::in | ios::binary);

if(!ks)

{

cerr << "KeyFileNotFoundException" << endl;

return 2;

}

AES aes;

const unsigned char *key = new unsigned char[16];

ks.read((char*)key, 16);

ofstream os(argv[2], ios::out | ios::binary);

if(strcmp(argv[1], "-E") == 0 || strcmp(argv[1], "-e") == 0)

{

const unsigned char* cipherText;

const unsigned char* plainText = new unsigned char[16];

while(is.read((char*)plainText, 16))

{

cipherText = aes.Cipher(plainText, key, 16);

os.write((const char*)cipherText, 16);

}

}

if(strcmp(argv[1], "-D") == 0 || strcmp(argv[1], "-d") == 0)

{

const unsigned char* plainText;

const unsigned char* cipherText = new unsigned char[16]; while(is.read((char *)cipherText, 16))

{

plainText = aes.InvCipher(cipherText, key, 16); os.write((const char*)plainText, 16);

}

delete[] cipherText;

}

delete[] key;

is.close();

ks.close();

os.close();

return 0;

}五、实验小结

AES加密解密算法

AES加密解密算法

AES加密解密算法

AES加密解密算法

六、附录

《现代密码学教程》

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北京林业大学20xx学年20xx学年第2学期计算机网络安全实验报告书专业计算机科学与技术班级计算机122姓名侯丹学号120xx4227实验地点N01任课教师蒋东辰实验题目传统加密算法实验环境Windows操作系...

加密算法编程实验

天津机电职业技术学院教师备课纸实验五加密算法编程一实验目的通过C语言编程实现替代加密算法加深对古典密码体制的了解二实验环境1安装WindowsXP系统的计算机2WinTC三实验理论基础凯撒密码caeser是罗马...

DES_加密解密算法的C++实现--实验报告

实验报告课程名称高级Java程序设计实验项目搭建JSP开发和运行环境实验仪器个人计算机系别理学院专业信息与计算科学班级学号信计110220xx012529学生姓名高敏实验日期20xx311成绩指导教师徐莉实验项...

DES 加密解密算法的C++实现--实验报告

网络与信息安全IntroductiontoNetworkandSecurityDES加密解密算法的C实现姓名学号学院20xx年10月一DES算法的实现1DES简介本世纪五十年代以来密码学研究领域出现了最具代表性...

RSA加密算法实验报告

现代密码学实验报告题目RSA算法的实现过程一实验目的简单实现RSA过程通过OpenSSL命令编辑器实现发送方对明文进行加密签名接受方验证解密的简单过程二实验原理RSA加密算法的基本流程三实验步骤发送方对明文进行...

加密算法实验总结(22篇)