AES簡介

高級加密標準(AES,Advanced Encryption Standard)為最常見的對稱加密算法(微信小程序加密傳輸就是用這個加密算法的)。

對稱加密算法也就是加密和解密用相同的密鑰，具體的加密流程如下圖：?

下面簡單介紹下各個部分的作用與意義：

• 明文P

  沒有經過加密的數據。

• 密鑰K

  用來加密明文的密碼，在對稱加密算法中，加密與解密的密鑰是相同的。密鑰為接收方與發送方協商產生，但不可以直接在網絡上傳輸，否則會導致密鑰泄漏，通常是通過非對稱加密算法加密密鑰，然后再通過網絡傳輸給對方，或者直接面對面商量密鑰。密鑰是絕對不可以泄漏的，否則會被攻擊者還原密文，竊取機密數據。

• AES加密函數

  設AES加密函數為E，則 C = E(K, P),其中P為明文，K為密鑰，C為密文。也就是說，把明文P和密鑰K作為加密函數的參數輸入，則加密函數E會輸出密文C。

• 密文C

  經加密函數處理后的數據

• AES解密函數

  設AES解密函數為D，則 P = D(K, C),其中C為密文，K為密鑰，P為明文。也就是說，把密文C和密鑰K作為解密函數的參數輸入，則解密函數會輸出明文P。

在這里簡單介紹下對稱加密算法與非對稱加密算法的區別。

• 對稱加密算法

  加密和解密用到的密鑰是相同的，這種加密方式加密速度非常快，適合經常發送數據的場合。缺點是密鑰的傳輸比較麻煩。

• 非對稱加密算法

  加密和解密用的密鑰是不同的，這種加密方式是用數學上的難解問題構造的，通常加密解密的速度比較慢，適合偶爾發送數據的場合。優點是密鑰傳輸方便。常見的非對稱加密算法為RSA、ECC和EIGamal。

實際中，一般是通過RSA加密AES的密鑰，傳輸到接收方，接收方解密得到AES密鑰，然后發送方和接收方用AES密鑰來通信。

本文下面AES原理的介紹參考自《現代密碼學教程》，AES的實現在介紹完原理后開始。

AES的基本結構

AES為分組密碼，分組密碼也就是把明文分成一組一組的，每組長度相等，每次加密一組數據，直到加密完整個明文。在AES標準規范中，分組長度只能是128位，也就是說，每個分組為16個字節（每個字節8位）。密鑰的長度可以使用128位、192位或256位。密鑰的長度不同，推薦加密輪數也不同，如下表所示：

AES	密鑰長度（32位比特字)	分組長度(32位比特字)	加密輪數
AES-128	4	4	10
AES-192	6	4	12
AES-256	8	4	14

輪數在下面介紹，這里實現的是AES-128，也就是密鑰的長度為128位，加密輪數為10輪。?
上面說到，AES的加密公式為C = E(K,P)，在加密函數E中，會執行一個輪函數，并且執行10次這個輪函數，這個輪函數的前9次執行的操作是一樣的，只有第10次有所不同。也就是說，一個明文分組會被加密10輪。AES的核心就是實現一輪中的所有操作。

AES的處理單位是字節，128位的輸入明文分組P和輸入密鑰K都被分成16個字節，分別記為P = P0 P1 … P15 和 K = K0 K1 … K15。如，明文分組為P = abcdefghijklmnop,其中的字符a對應P0，p對應P15。一般地，明文分組用字節為單位的正方形矩陣描述，稱為狀態矩陣。在算法的每一輪中，狀態矩陣的內容不斷發生變化，最后的結果作為密文輸出。該矩陣中字節的排列順序為從上到下、從左至右依次排列，如下圖所示：

現在假設明文分組P為”abcdefghijklmnop”，則對應上面生成的狀態矩陣圖如下：?

上圖中，0x61為字符a的十六進制表示。可以看到，明文經過AES加密后，已經面目全非。

類似地，128位密鑰也是用字節為單位的矩陣表示，矩陣的每一列被稱為1個32位比特字。通過密鑰編排函數該密鑰矩陣被擴展成一個44個字組成的序列W[0],W[1], … ,W[43],該序列的前4個元素W[0],W[1],W[2],W[3]是原始密鑰，用于加密運算中的初始密鑰加（下面介紹）;后面40個字分為10組，每組4個字（128比特）分別用于10輪加密運算中的輪密鑰加，如下圖所示：?

上圖中，設K = “abcdefghijklmnop”，則K0 = a, K15 = p, W[0] = K0 K1 K2 K3 = “abcd”。

AES的整體結構如下圖所示，其中的W[0,3]是指W[0]、W[1]、W[2]和W[3]串聯組成的128位密鑰。加密的第1輪到第9輪的輪函數一樣，包括4個操作：字節代換、行位移、列混合和輪密鑰加。最后一輪迭代不執行列混合。另外，在第一輪迭代之前，先將明文和原始密鑰進行一次異或加密操作。?

上圖也展示了AES解密過程，解密過程仍為10輪，每一輪的操作是加密操作的逆操作。由于AES的4個輪操作都是可逆的，因此，解密操作的一輪就是順序執行逆行移位、逆字節代換、輪密鑰加和逆列混合。同加密操作類似，最后一輪不執行逆列混合，在第1輪解密之前，要執行1次密鑰加操作。

AES解密

在文章開始的圖中，有AES解密的流程圖，可以對應那個流程圖來進行解密。下面介紹的是另一種等價的解密模式，流程圖如下圖所示。這種等價的解密模式使得解密過程各個變換的使用順序同加密過程的順序一致，只是用逆變換取代原來的變換。?

AES原理到這里就結束了，下面主要為AES的實現

AES算法實現

AES加密函數預覽

aes加密函數中，首先進行密鑰擴展，然后把128位長度的字符串讀進一個4*4的整數數組中，這個數組就是狀態矩陣。例如，pArray[0][0] = S0,pArray[1][0] = S1, pArray[0][1] = S4。這個讀取過程是通過 convertToIntArray()函數來實現的。每個輪操作的函數都對pArray進行修改，也就是對狀態矩陣進行混淆。在執行完10輪加密后，會把pArray轉換回字符串，再存入明文p的字符數組中，所以，在加密完后，明文p的字符串中的字符就是加密后的字符了。這個轉換過程是通過convertArrayToStr()函數來實現的。

/*** 參數 p: 明文的字符串數組。* 參數 plen: 明文的長度。* 參數 key: 密鑰的字符串數組。*/
void aes(char *p, int plen, char *key){int keylen = strlen(key);if(plen == 0 || plen % 16 != 0) {printf("明文字符長度必須為16的倍數！\n");exit(0);}if(!checkKeyLen(keylen)) {printf("密鑰字符長度錯誤！長度必須為16、24和32。當前長度為%d\n",keylen);exit(0);}extendKey(key);//擴展密鑰int pArray[4][4];for(int k = 0; k < plen; k += 16) {convertToIntArray(p + k, pArray);addRoundKey(pArray, 0);//一開始的輪密鑰加for(int i = 1; i < 10; i++){//前9輪subBytes(pArray);//字節代換shiftRows(pArray);//行移位mixColumns(pArray);//列混合addRoundKey(pArray, i);}//第10輪subBytes(pArray);//字節代換shiftRows(pArray);//行移位addRoundKey(pArray, 10);convertArrayToStr(pArray, p + k);}
}

1.密鑰擴展的實現

在開始加密前，必須先獲得第一輪加密用到的密鑰，故先實現密鑰擴展?
下面是密鑰擴展函數的實現，這個函數傳入密鑰key的字符串表示，然后從字符串中讀取W[0]到W[3],函數getWordFromStr()用于實現此功能。讀取后，就開始擴展密鑰，當i是4的倍數的時候，就會調用T()函數來進行擴展，因為T函數的行為與加密的輪數有關，故要把加密的輪數?j?作為參數傳進去。

//密鑰對應的擴展數組
static int w[44];/*** 擴展密鑰，結果是把w[44]中的每個元素初始化*/
static void extendKey(char *key) {for(int i = 0; i < 4; i++)w[i] = getWordFromStr(key + i * 4); for(int i = 4, j = 0; i < 44; i++) {if( i % 4 == 0) {w[i] = w[i - 4] ^ T(w[i - 1], j); j++;//下一輪}else {w[i] = w[i - 4] ^ w[i - 1]; }}   }

• 
  

下面是T()函數的代碼實現，T()函數中接收兩個參數，參數num為上面傳進的W[i - 1]，round為加密的輪數。首先用一個numArray儲存從32位的W[i-1]中取得4個字節。如果W[i-1]為0x12ABCDEF,那么numArray[0] = 0x12,numArray[1] = 0xAB。函數splitIntToArray()用于從32位整數中讀取這四個字節，之所以這樣做是因為整數數組比較容易操作。然后調用leftLoop4int()函數把numArray數組中的4個元素循環左移1位。然后執行字節代換，通過getNumFromSBox()函數來獲取S盒中相應的值來替換numArray中的值。接著通過mergeArrayToInt()函數把字節代換后的numArray合并回32位的整數，在進行輪常量異或后返回。

/*** 常量輪值表*/
static const int Rcon[10] = { 0x01000000, 0x02000000,0x04000000, 0x08000000,0x10000000, 0x20000000,0x40000000, 0x80000000,0x1b000000, 0x36000000 };
/*** 密鑰擴展中的T函數*/
static int T(int num, int round) {int numArray[4];splitIntToArray(num, numArray);leftLoop4int(numArray, 1);//字循環//字節代換for(int i = 0; i < 4; i++)numArray[i] = getNumFromSBox(numArray[i]);int result = mergeArrayToInt(numArray);return result ^ Rcon[round];
}

• 
  

2. 字節代換的實現

字節代換的代碼很簡單，就是把狀態矩陣中的每個元素傳進getNumFromSBox()函數中，然后取得前面8位中的高4位作為行值，低4位作為列值，然后返回S[row][col]，這里的S是儲存S盒的數組。

/*** 根據索引，從S盒中獲得元素*/
static int getNumFromSBox(int index) {int row = getLeft4Bit(index);int col = getRight4Bit(index);return S[row][col];
}/*** 字節代換*/
static void subBytes(int array[4][4]){for(int i = 0; i < 4; i++)for(int j = 0; j < 4; j++)array[i][j] = getNumFromSBox(array[i][j]);
}

• 
  

3.行移位的實現

行移位的時候，首先把狀態矩陣中第2，3，4行復制出來，然后對它們行進左移相應的位數，然后再復制回去狀態矩陣array中。

/*** 將數組中的元素循環左移step位*/
static void leftLoop4int(int array[4], int step) {int temp[4];for(int i = 0; i < 4; i++)temp[i] = array[i];int index = step % 4 == 0 ? 0 : step % 4;for(int i = 0; i < 4; i++){array[i] = temp[index];index++;index = index % 4;}
}/*** 行移位*/
static void shiftRows(int array[4][4]) {int rowTwo[4], rowThree[4], rowFour[4];//復制狀態矩陣的第2,3,4行for(int i = 0; i < 4; i++) {rowTwo[i] = array[1][i];rowThree[i] = array[2][i];rowFour[i] = array[3][i];}//循環左移相應的位數leftLoop4int(rowTwo, 1);leftLoop4int(rowThree, 2);leftLoop4int(rowFour, 3);//把左移后的行復制回狀態矩陣中for(int i = 0; i < 4; i++) {array[1][i] = rowTwo[i];array[2][i] = rowThree[i];array[3][i] = rowFour[i];}
}

• 
  

4.列混合的實現

列混合函數中，先把狀態矩陣初始狀態復制一份到tempArray中，然后把tempArray與colM矩陣相乘，colM為存放要乘的常數矩陣的數組。其中的GFMul()函數定義了矩陣相乘時的乘法，加法則直接通過異或來實現。GFMul()通過調用乘以各個數對應的函數來實現乘法。例如，S1 * 2 剛通過調用GFMul2(S1)來實現。S1 * 3 剛通過GFMul3(S1)來實現。在這里，主要實現GFMul2()函數就行了，其它的都可以通過GFMul2()的組合來實現。舉個例子吧，為計算下面這條等式，需要像下面這樣調用函數?

s = GFMul3(0xC9) ^ 0x7A ^ 0x63 ^ GFMul2(0xB0)

/*** 列混合要用到的矩陣*/
static const int colM[4][4] = { 2, 3, 1, 1,1, 2, 3, 1,1, 1, 2, 3,3, 1, 1, 2 };static int GFMul2(int s) {int result = s << 1;int a7 = result & 0x00000100;if(a7 != 0) {result = result & 0x000000ff;result = result ^ 0x1b;}return result;
}static int GFMul3(int s) {return GFMul2(s) ^ s;
}/*** GF上的二元運算*/
static int GFMul(int n, int s) {int result;if(n == 1)result = s;else if(n == 2)result = GFMul2(s);else if(n == 3)result = GFMul3(s);else if(n == 0x9)result = GFMul9(s);else if(n == 0xb)//11result = GFMul11(s);else if(n == 0xd)//13result = GFMul13(s);else if(n == 0xe)//14result = GFMul14(s);return result;
}/*** 列混合*/
static void mixColumns(int array[4][4]) {int tempArray[4][4];for(int i = 0; i < 4; i++)for(int j = 0; j < 4; j++)tempArray[i][j] = array[i][j];for(int i = 0; i < 4; i++)for(int j = 0; j < 4; j++){array[i][j] = GFMul(colM[i][0],tempArray[0][j]) ^ GFMul(colM[i][1],tempArray[1][j])^ GFMul(colM[i][2],tempArray[2][j]) ^ GFMul(colM[i][3], tempArray[3][j]);}
}

• 
  

5.輪密鑰加的實現

輪密鑰加的實現很簡單，就是根據傳入的輪數來把狀態矩陣與相應的W[i]異或。

/*** 輪密鑰加*/
static void addRoundKey(int array[4][4], int round) {int warray[4];for(int i = 0; i < 4; i++) {splitIntToArray(w[ round * 4 + i], warray);for(int j = 0; j < 4; j++) {array[j][i] = array[j][i] ^ warray[j];}}
}

• 
  

AES解密函數

AES的解密函數和加密函數有點不同，可以參考上面的等價解密流程圖來理解，解密函數中調用的是各輪操作的逆函數。逆函數在這里就不詳細講解了，可以參考最后的完整代碼。

/*** 參數 c: 密文的字符串數組。* 參數 clen: 密文的長度。* 參數 key: 密鑰的字符串數組。*/
void deAes(char *c, int clen, char *key) {int keylen = strlen(key);if(clen == 0 || clen % 16 != 0) {printf("密文字符長度必須為16的倍數！現在的長度為%d\n",clen);exit(0);}if(!checkKeyLen(keylen)) {printf("密鑰字符長度錯誤！長度必須為16、24和32。當前長度為%d\n",keylen);exit(0);}extendKey(key);//擴展密鑰int cArray[4][4];for(int k = 0; k < clen; k += 16) {convertToIntArray(c + k, cArray);addRoundKey(cArray, 10);int wArray[4][4];for(int i = 9; i >= 1; i--) {deSubBytes(cArray);deShiftRows(cArray);deMixColumns(cArray);getArrayFrom4W(i, wArray);deMixColumns(wArray);addRoundTowArray(cArray, wArray);}deSubBytes(cArray);deShiftRows(cArray);addRoundKey(cArray, 0);convertArrayToStr(cArray, c + k);}
}

• 
  

完整的程序代碼

Linux版本

aes.h

#ifndef AES_H
#define AES_H/*** 參數 p: 明文的字符串數組。* 參數 plen: 明文的長度,長度必須為16的倍數。* 參數 key: 密鑰的字符串數組。*/
void aes(char *p, int plen, char *key);/*** 參數 c: 密文的字符串數組。* 參數 clen: 密文的長度,長度必須為16的倍數。* 參數 key: 密鑰的字符串數組。*/
void deAes(char *c, int clen, char *key);#endif

• 
  

aes.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "aes.h"/*** S盒*/
static const int S[16][16] = { 0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, 0xf2, 0x6b, 0x6f, 0xc5, 0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, 0xfe, 0xd7, 0xab, 0x76,0xca, 0x82, 0xc9, 0x7d, 0xfa, 0x59, 0x47, 0xf0, 0xad, 0xd4, 0xa2, 0xaf, 0x9c, 0xa4, 0x72, 0xc0,0xb7, 0xfd, 0x93, 0x26, 0x36, 0x3f, 0xf7, 0xcc, 0x34, 0xa5, 0xe5, 0xf1, 0x71, 0xd8, 0x31, 0x15,0x04, 0xc7, 0x23, 0xc3, 0x18, 0x96, 0x05, 0x9a, 0x07, 0x12, 0x80, 0xe2, 0xeb, 0x27, 0xb2, 0x75,0x09, 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a, 0xa0, 0x52, 0x3b, 0xd6, 0xb3, 0x29, 0xe3, 0x2f, 0x84,0x53, 0xd1, 0x00, 0xed, 0x20, 0xfc, 0xb1, 0x5b, 0x6a, 0xcb, 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, 0xcf,0xd0, 0xef, 0xaa, 0xfb, 0x43, 0x4d, 0x33, 0x85, 0x45, 0xf9, 0x02, 0x7f, 0x50, 0x3c, 0x9f, 0xa8,0x51, 0xa3, 0x40, 0x8f, 0x92, 0x9d, 0x38, 0xf5, 0xbc, 0xb6, 0xda, 0x21, 0x10, 0xff, 0xf3, 0xd2,0xcd, 0x0c, 0x13, 0xec, 0x5f, 0x97, 0x44, 0x17, 0xc4, 0xa7, 0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73,0x60, 0x81, 0x4f, 0xdc, 0x22, 0x2a, 0x90, 0x88, 0x46, 0xee, 0xb8, 0x14, 0xde, 0x5e, 0x0b, 0xdb,0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c, 0xc2, 0xd3, 0xac, 0x62, 0x91, 0x95, 0xe4, 0x79,0xe7, 0xc8, 0x37, 0x6d, 0x8d, 0xd5, 0x4e, 0xa9, 0x6c, 0x56, 0xf4, 0xea, 0x65, 0x7a, 0xae, 0x08,0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, 0xa6, 0xb4, 0xc6, 0xe8, 0xdd, 0x74, 0x1f, 0x4b, 0xbd, 0x8b, 0x8a,0x70, 0x3e, 0xb5, 0x66, 0x48, 0x03, 0xf6, 0x0e, 0x61, 0x35, 0x57, 0xb9, 0x86, 0xc1, 0x1d, 0x9e,0xe1, 0xf8, 0x98, 0x11, 0x69, 0xd9, 0x8e, 0x94, 0x9b, 0x1e, 0x87, 0xe9, 0xce, 0x55, 0x28, 0xdf,0x8c, 0xa1, 0x89, 0x0d, 0xbf, 0xe6, 0x42, 0x68, 0x41, 0x99, 0x2d, 0x0f, 0xb0, 0x54, 0xbb, 0x16 };/*** 逆S盒*/
static const int S2[16][16] = { 0x52, 0x09, 0x6a, 0xd5, 0x30, 0x36, 0xa5, 0x38, 0xbf, 0x40, 0xa3, 0x9e, 0x81, 0xf3, 0xd7, 0xfb,0x7c, 0xe3, 0x39, 0x82, 0x9b, 0x2f, 0xff, 0x87, 0x34, 0x8e, 0x43, 0x44, 0xc4, 0xde, 0xe9, 0xcb,0x54, 0x7b, 0x94, 0x32, 0xa6, 0xc2, 0x23, 0x3d, 0xee, 0x4c, 0x95, 0x0b, 0x42, 0xfa, 0xc3, 0x4e,0x08, 0x2e, 0xa1, 0x66, 0x28, 0xd9, 0x24, 0xb2, 0x76, 0x5b, 0xa2, 0x49, 0x6d, 0x8b, 0xd1, 0x25,0x72, 0xf8, 0xf6, 0x64, 0x86, 0x68, 0x98, 0x16, 0xd4, 0xa4, 0x5c, 0xcc, 0x5d, 0x65, 0xb6, 0x92,0x6c, 0x70, 0x48, 0x50, 0xfd, 0xed, 0xb9, 0xda, 0x5e, 0x15, 0x46, 0x57, 0xa7, 0x8d, 0x9d, 0x84,0x90, 0xd8, 0xab, 0x00, 0x8c, 0xbc, 0xd3, 0x0a, 0xf7, 0xe4, 0x58, 0x05, 0xb8, 0xb3, 0x45, 0x06,0xd0, 0x2c, 0x1e, 0x8f, 0xca, 0x3f, 0x0f, 0x02, 0xc1, 0xaf, 0xbd, 0x03, 0x01, 0x13, 0x8a, 0x6b,0x3a, 0x91, 0x11, 0x41, 0x4f, 0x67, 0xdc, 0xea, 0x97, 0xf2, 0xcf, 0xce, 0xf0, 0xb4, 0xe6, 0x73,0x96, 0xac, 0x74, 0x22, 0xe7, 0xad, 0x35, 0x85, 0xe2, 0xf9, 0x37, 0xe8, 0x1c, 0x75, 0xdf, 0x6e,0x47, 0xf1, 0x1a, 0x71, 0x1d, 0x29, 0xc5, 0x89, 0x6f, 0xb7, 0x62, 0x0e, 0xaa, 0x18, 0xbe, 0x1b,0xfc, 0x56, 0x3e, 0x4b, 0xc6, 0xd2, 0x79, 0x20, 0x9a, 0xdb, 0xc0, 0xfe, 0x78, 0xcd, 0x5a, 0xf4,0x1f, 0xdd, 0xa8, 0x33, 0x88, 0x07, 0xc7, 0x31, 0xb1, 0x12, 0x10, 0x59, 0x27, 0x80, 0xec, 0x5f,0x60, 0x51, 0x7f, 0xa9, 0x19, 0xb5, 0x4a, 0x0d, 0x2d, 0xe5, 0x7a, 0x9f, 0x93, 0xc9, 0x9c, 0xef,0xa0, 0xe0, 0x3b, 0x4d, 0xae, 0x2a, 0xf5, 0xb0, 0xc8, 0xeb, 0xbb, 0x3c, 0x83, 0x53, 0x99, 0x61,0x17, 0x2b, 0x04, 0x7e, 0xba, 0x77, 0xd6, 0x26, 0xe1, 0x69, 0x14, 0x63, 0x55, 0x21, 0x0c, 0x7d };/*** 獲取整形數據的低8位的左4個位*/
static int getLeft4Bit(int num) {int left = num & 0x000000f0;return left >> 4;
}/*** 獲取整形數據的低8位的右4個位*/
static int getRight4Bit(int num) {return num & 0x0000000f;
}
/*** 根據索引，從S盒中獲得元素*/
static int getNumFromSBox(int index) {int row = getLeft4Bit(index);int col = getRight4Bit(index);return S[row][col];
}/*** 把一個字符轉變成整型*/
static int getIntFromChar(char c) {int result = (int) c;return result & 0x000000ff;
}/*** 把16個字符轉變成4X4的數組，* 該矩陣中字節的排列順序為從上到下，* 從左到右依次排列。*/
static void convertToIntArray(char *str, int pa[4][4]) {int k = 0;for(int i = 0; i < 4; i++)for(int j = 0; j < 4; j++) {pa[j][i] = getIntFromChar(str[k]);k++;}
}/*** 打印4X4的數組*/
static void printArray(int a[4][4]) {for(int i = 0; i < 4; i++){for(int j = 0; j < 4; j++)printf("a[%d][%d] = 0x%x ", i, j, a[i][j]);printf("\n");}printf("\n");
}/*** 打印字符串的ASSCI，* 以十六進制顯示。*/
static void printASSCI(char *str, int len) {for(int i = 0; i < len; i++)printf("0x%x ", getIntFromChar(str[i]));printf("\n");
}/*** 把連續的4個字符合并成一個4字節的整型*/
static int getWordFromStr(char *str) {int one = getIntFromChar(str[0]);one = one << 24;int two = getIntFromChar(str[1]);two = two << 16;int three = getIntFromChar(str[2]);three = three << 8;int four = getIntFromChar(str[3]);return one | two | three | four;
}/*** 把一個4字節的數的第一、二、三、四個字節取出，* 入進一個4個元素的整型數組里面。*/
static void splitIntToArray(int num, int array[4]) {int one = num >> 24;array[0] = one & 0x000000ff;int two = num >> 16;array[1] = two & 0x000000ff;int three = num >> 8;array[2] = three & 0x000000ff;array[3] = num & 0x000000ff;
}/*** 將數組中的元素循環左移step位*/
static void leftLoop4int(int array[4], int step) {int temp[4];for(int i = 0; i < 4; i++)temp[i] = array[i];int index = step % 4 == 0 ? 0 : step % 4;for(int i = 0; i < 4; i++){array[i] = temp[index];index++;index = index % 4;}
}/*** 把數組中的第一、二、三和四元素分別作為* 4字節整型的第一、二、三和四字節，合并成一個4字節整型*/
static int mergeArrayToInt(int array[4]) {int one = array[0] << 24;int two = array[1] << 16;int three = array[2] << 8;int four = array[3];return one | two | three | four;
}/*** 常量輪值表*/
static const int Rcon[10] = { 0x01000000, 0x02000000,0x04000000, 0x08000000,0x10000000, 0x20000000,0x40000000, 0x80000000,0x1b000000, 0x36000000 };
/*** 密鑰擴展中的T函數*/
static int T(int num, int round) {int numArray[4];splitIntToArray(num, numArray);leftLoop4int(numArray, 1);//字循環//字節代換for(int i = 0; i < 4; i++)numArray[i] = getNumFromSBox(numArray[i]);int result = mergeArrayToInt(numArray);return result ^ Rcon[round];
}//密鑰對應的擴展數組
static int w[44];/*** 擴展密鑰，結果是把w[44]中的每個元素初始化*/
static void extendKey(char *key) {for(int i = 0; i < 4; i++)w[i] = getWordFromStr(key + i * 4);for(int i = 4, j = 0; i < 44; i++) {if( i % 4 == 0) {w[i] = w[i - 4] ^ T(w[i - 1], j);j++;//下一輪}else {w[i] = w[i - 4] ^ w[i - 1];}}}/*** 輪密鑰加*/
static void addRoundKey(int array[4][4], int round) {int warray[4];for(int i = 0; i < 4; i++) {splitIntToArray(w[ round * 4 + i], warray);for(int j = 0; j < 4; j++) {array[j][i] = array[j][i] ^ warray[j];}}
}/*** 字節代換*/
static void subBytes(int array[4][4]){for(int i = 0; i < 4; i++)for(int j = 0; j < 4; j++)array[i][j] = getNumFromSBox(array[i][j]);
}/*** 行移位*/
static void shiftRows(int array[4][4]) {int rowTwo[4], rowThree[4], rowFour[4];//復制狀態矩陣的第2,3,4行for(int i = 0; i < 4; i++) {rowTwo[i] = array[1][i];rowThree[i] = array[2][i];rowFour[i] = array[3][i];}//循環左移相應的位數leftLoop4int(rowTwo, 1);leftLoop4int(rowThree, 2);leftLoop4int(rowFour, 3);//把左移后的行復制回狀態矩陣中for(int i = 0; i < 4; i++) {array[1][i] = rowTwo[i];array[2][i] = rowThree[i];array[3][i] = rowFour[i];}
}/*** 列混合要用到的矩陣*/
static const int colM[4][4] = { 2, 3, 1, 1,1, 2, 3, 1,1, 1, 2, 3,3, 1, 1, 2 };static int GFMul2(int s) {int result = s << 1;int a7 = result & 0x00000100;if(a7 != 0) {result = result & 0x000000ff;result = result ^ 0x1b;}return result;
}static int GFMul3(int s) {return GFMul2(s) ^ s;
}static int GFMul4(int s) {return GFMul2(GFMul2(s));
}static int GFMul8(int s) {return GFMul2(GFMul4(s));
}static int GFMul9(int s) {return GFMul8(s) ^ s;
}static int GFMul11(int s) {return GFMul9(s) ^ GFMul2(s);
}static int GFMul12(int s) {return GFMul8(s) ^ GFMul4(s);
}static int GFMul13(int s) {return GFMul12(s) ^ s;
}static int GFMul14(int s) {return GFMul12(s) ^ GFMul2(s);
}/*** GF上的二元運算*/
static int GFMul(int n, int s) {int result;if(n == 1)result = s;else if(n == 2)result = GFMul2(s);else if(n == 3)result = GFMul3(s);else if(n == 0x9)result = GFMul9(s);else if(n == 0xb)//11result = GFMul11(s);else if(n == 0xd)//13result = GFMul13(s);else if(n == 0xe)//14result = GFMul14(s);return result;
}
/*** 列混合*/
static void mixColumns(int array[4][4]) {int tempArray[4][4];for(int i = 0; i < 4; i++)for(int j = 0; j < 4; j++)tempArray[i][j] = array[i][j];for(int i = 0; i < 4; i++)for(int j = 0; j < 4; j++){array[i][j] = GFMul(colM[i][0],tempArray[0][j]) ^ GFMul(colM[i][1],tempArray[1][j]) ^ GFMul(colM[i][2],tempArray[2][j]) ^ GFMul(colM[i][3], tempArray[3][j]);}
}
/*** 把4X4數組轉回字符串*/
static void convertArrayToStr(int array[4][4], char *str) {for(int i = 0; i < 4; i++)for(int j = 0; j < 4; j++)*str++ = (char)array[j][i]; 
}
/*** 檢查密鑰長度*/
static int checkKeyLen(int len) {if(len == 16)return 1;elsereturn 0;
}/*** 參數 p: 明文的字符串數組。* 參數 plen: 明文的長度。* 參數 key: 密鑰的字符串數組。*/
void aes(char *p, int plen, char *key){int keylen = strlen(key);if(plen == 0 || plen % 16 != 0) {printf("明文字符長度必須為16的倍數！\n");exit(0);}if(!checkKeyLen(keylen)) {printf("密鑰字符長度錯誤！長度必須為16、24和32。當前長度為%d\n",keylen);exit(0);}extendKey(key);//擴展密鑰int pArray[4][4];for(int k = 0; k < plen; k += 16) { convertToIntArray(p + k, pArray);addRoundKey(pArray, 0);//一開始的輪密鑰加for(int i = 1; i < 10; i++){//前9輪subBytes(pArray);//字節代換shiftRows(pArray);//行移位mixColumns(pArray);//列混合addRoundKey(pArray, i);}//第10輪subBytes(pArray);//字節代換shiftRows(pArray);//行移位addRoundKey(pArray, 10);convertArrayToStr(pArray, p + k);}
}
/*** 根據索引從逆S盒中獲取值*/
static int getNumFromS1Box(int index) {int row = getLeft4Bit(index);int col = getRight4Bit(index);return S2[row][col];
}
/*** 逆字節變換*/
static void deSubBytes(int array[4][4]) {for(int i = 0; i < 4; i++)for(int j = 0; j < 4; j++)array[i][j] = getNumFromS1Box(array[i][j]);
}
/*** 把4個元素的數組循環右移step位*/
static void rightLoop4int(int array[4], int step) {int temp[4];for(int i = 0; i < 4; i++)temp[i] = array[i];int index = step % 4 == 0 ? 0 : step % 4;index = 3 - index;for(int i = 3; i >= 0; i--) {array[i] = temp[index];index--;index = index == -1 ? 3 : index;}
}/*** 逆行移位*/
static void deShiftRows(int array[4][4]) {int rowTwo[4], rowThree[4], rowFour[4];for(int i = 0; i < 4; i++) {rowTwo[i] = array[1][i];rowThree[i] = array[2][i];rowFour[i] = array[3][i];}rightLoop4int(rowTwo, 1);rightLoop4int(rowThree, 2);rightLoop4int(rowFour, 3);for(int i = 0; i < 4; i++) {array[1][i] = rowTwo[i];array[2][i] = rowThree[i];array[3][i] = rowFour[i];}
}
/*** 逆列混合用到的矩陣*/
static const int deColM[4][4] = { 0xe, 0xb, 0xd, 0x9,0x9, 0xe, 0xb, 0xd,0xd, 0x9, 0xe, 0xb,0xb, 0xd, 0x9, 0xe };/*** 逆列混合*/
static void deMixColumns(int array[4][4]) {int tempArray[4][4];for(int i = 0; i < 4; i++)for(int j = 0; j < 4; j++)tempArray[i][j] = array[i][j];for(int i = 0; i < 4; i++)for(int j = 0; j < 4; j++){array[i][j] = GFMul(deColM[i][0],tempArray[0][j]) ^ GFMul(deColM[i][1],tempArray[1][j]) ^ GFMul(deColM[i][2],tempArray[2][j]) ^ GFMul(deColM[i][3], tempArray[3][j]);}
}
/*** 把兩個4X4數組進行異或*/
static void addRoundTowArray(int aArray[4][4],int bArray[4][4]) {for(int i = 0; i < 4; i++)for(int j = 0; j < 4; j++)aArray[i][j] = aArray[i][j] ^ bArray[i][j];
}
/*** 從4個32位的密鑰字中獲得4X4數組，* 用于進行逆列混合*/
static void getArrayFrom4W(int i, int array[4][4]) {int index = i * 4;int colOne[4], colTwo[4], colThree[4], colFour[4];splitIntToArray(w[index], colOne);splitIntToArray(w[index + 1], colTwo);splitIntToArray(w[index + 2], colThree);splitIntToArray(w[index + 3], colFour);for(int i = 0; i < 4; i++) {array[i][0] = colOne[i];array[i][1] = colTwo[i];array[i][2] = colThree[i];array[i][3] = colFour[i];}}/*** 參數 c: 密文的字符串數組。* 參數 clen: 密文的長度。* 參數 key: 密鑰的字符串數組。*/
void deAes(char *c, int clen, char *key) {int keylen = strlen(key);if(clen == 0 || clen % 16 != 0) {printf("密文字符長度必須為16的倍數！現在的長度為%d\n",clen);exit(0);}if(!checkKeyLen(keylen)) {printf("密鑰字符長度錯誤！長度必須為16、24和32。當前長度為%d\n",keylen);exit(0);}extendKey(key);//擴展密鑰int cArray[4][4];for(int k = 0; k < clen; k += 16) {convertToIntArray(c + k, cArray);addRoundKey(cArray, 10);int wArray[4][4];for(int i = 9; i >= 1; i--) {deSubBytes(cArray);deShiftRows(cArray);deMixColumns(cArray);getArrayFrom4W(i, wArray);deMixColumns(wArray);addRoundTowArray(cArray, wArray);}deSubBytes(cArray);deShiftRows(cArray);addRoundKey(cArray, 0);convertArrayToStr(cArray, c + k);}
}

main.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>#include "aes.h"#define MAXLEN 1024void getString(char *str, int len){int slen = read(0, str, len);for(int i = 0; i < slen; i++,str++){if(*str == '\n'){*str = '\0';break;}}
}void printASCCI(char *str, int len) {int c;for(int i = 0; i < len; i++) {c = (int)*str++;c = c & 0x000000ff;printf("0x%x ", c);}printf("\n");
}/*** 從標準輸入中讀取用戶輸入的字符串*/
void readPlainText(char *str, int *len) {int plen;while(1) {getString(str, MAXLEN);plen = strlen(str);if(plen != 0 && plen % 16 == 0) {printf("你輸入的明文為：%s\n", str);break;}else{printf("明文字符長度必須為16的倍數,現在的長度為%d\n", plen);}}*len = plen;
}
/*** 把字符串寫進文件*/
void writeStrToFile(char *str, int len, char *fileName) {FILE *fp;fp = fopen(fileName, "wb");for(int i = 0; i < len; i++)putc(str[i], fp);fclose(fp);
}void aesStrToFile(char *key) {char p[MAXLEN];int plen;printf("請輸入你的明文，明文字符長度必須為16的倍數\n");readPlainText(p,&plen);printf("進行AES加密..................\n");aes(p, plen, key);//AES加密printf("加密完后的明文的ASCCI為：\n");printASCCI(p, plen);char fileName[64];printf("請輸入你想要寫進的文件名，比如'test.txt':\n");if(scanf("%s", fileName) == 1) {    writeStrToFile(p, plen, fileName);printf("已經將密文寫進%s中了,可以在運行該程序的當前目錄中找到它。\n", fileName);}
}
/*** 從文件中讀取字符串*/
int readStrFromFile(char *fileName, char *str) {FILE *fp = fopen(fileName, "rb");if(fp == NULL) {printf("打開文件出錯，請確認文件存在當前目錄下！\n");exit(0);}int i;for(i = 0; i < MAXLEN && (str[i] = getc(fp)) != EOF; i++);if(i >= MAXLEN) {printf("解密文件過大！\n");exit(0);}str[i] = '\0';fclose(fp);return i;
}void deAesFile(char *key) {char fileName[64];char c[MAXLEN];//密文字符串printf("請輸入要解密的文件名，該文件必須和本程序在同一個目錄\n");if(scanf("%s", fileName) == 1) {int clen = readStrFromFile(fileName, c);printf("開始解密.........\n");deAes(c, clen, key);printf("解密后的明文ASCII為：\n");printASCCI(c, clen);printf("明文為：%s\n", c);writeStrToFile(c,clen,fileName);printf("現在可以打開%s來查看解密后的密文了！\n",fileName);}
}void aesFile(char *key) {char fileName[64];char fileP[MAXLEN];printf("請輸入要加密的文件名，該文件必須和本程序在同一個目錄\n");if(scanf("%s", fileName) == 1) {readStrFromFile(fileName, fileP);int plen = strlen(fileP);printf("開始加密.........\n");printf("加密前文件中字符的ASCII為：\n");printASCCI(fileP, plen);aes(fileP, plen, key);//開始加密printf("加密后的密文ASCII為：\n");printASCCI(fileP, plen);writeStrToFile(fileP,plen,fileName);printf("已經將加密后的密文寫進%s中了\n",fileName);}
}int main(int argc, char const *argv[]) {char key[17];printf("請輸入16個字符的密鑰：\n");int klen;while(1){getString(key,17);klen = strlen(key);if(klen != 16){printf("請輸入16個字符的密鑰,當前密鑰的長度為%d\n",klen);}else{printf("你輸入的密鑰為：%s\n",key);break;}}printf("輸入's'表示要加密輸入的字符串,并將加密后的內容寫入到文件\n");printf("請輸入要功能選項并按回車，輸入'f'表示要加密文件\n");printf("輸入'p'表示要解密文件\n");char c;if(scanf("%s",&c) == 1) {if(c == 's')aesStrToFile(key);//用AES加密字符串，并將字符串寫進文件中else if(c == 'p')deAesFile(key);//把文件中的密文解密，并寫回文件中else if(c == 'f')//用AES加密文件aesFile(key);}return 0;
}

• 
  

通過下面的gcc命令來編譯運行：

gcc -o aes aes.c main.c

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