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C语言 实现AES_CBC_128_ZeroPadding 加解密算法

文章目录

  • 1、AES算法流程概述
  • 2、C语言实现AES算法流程
    • 2.1 S盒和逆S盒
    • 2.2 轮常量
    • 2.3 密钥扩展
      • 2.3.1 密钥代替函数
      • 2.3.2 密钥移位函数(字循环 函数)
      • 2.3.3 密钥扩展函数
    • 2.4 AES加密
      • 2.4.1 轮密钥加函数
      • 2.4.2 字节代换函数
      • 2.4.3 行移位函数
      • 2.4.4 列混合变换函数
      • 2.4.5 AES加密16字节数据函数
      • 2.4.6 AES加密不定长数据函数
    • 2.5 AES解密
      • 2.5.1 轮密钥加函数
      • 2.5.2 逆行移位函数
      • 2.5.3 逆字节代换函数
      • 2.5.4 逆列混合变换函数
      • 2.5.5 AES解密16字节数据函数
      • 2.5.6 AES解密长数据函数
  • 3、实例
    • 3.1 AES.h
    • 3.2 AES.c
    • 3.3 main.c


1、AES算法流程概述

AES算法可分为五个步骤:密钥扩展、字节替换、行移位、列混合和轮密钥加。 在这里插入图片描述

2、C语言实现AES算法流程

有些算法比较复杂,不详细描述,直接附上实现代码,代码运行后确定正确性。

2.1 S盒和逆S盒

 // S盒 static unsigned char AesSbox[16 * 16]= { 
          // populate the Sbox matrix    /* 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
};
 
// 逆S盒
static unsigned char AesiSbox[16 * 16]=
{ 
        
	// populate the iSbox matrix
		 /* 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
};

2.2 轮常量


// 轮常量
static unsigned char AesRcon[11 * 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
};

2.3 密钥扩展

2.3.1 密钥字代换函数


/******密钥字代换函数*****/

//状态矩阵中的元素按照下面的方式映射为一个新的字节:
//把该字节的高4位作为行值,低4位作为列值,取出S盒或者逆S盒中对应的行的元素作为输出。

 unsigned char*  SubWord(unsigned char word[])
{ 
        
	int j;
	static byte temp[4];
	
	for(j = 0; j < 4; j++)
	{ 
        
		temp[j] = AesSbox[16 * (word[j] >> 4) + (word[j] & 0x0f)];
	}
	return temp;
}

2.3.2 密钥移位函数(字循环 函数)


/******密钥移位函数(字循环 函数)*****/

// 将1个字中的4个字节循环左移1个字节。
// 即将输入字[b0, b1, b2, b3]变换成[b1, b2, b3, b0]。
 unsigned char*  RotWord(unsigned char word[])
{ 
        
	static byte temp[4];
	temp[0] = word[1];
	temp[1] = word[2];
	temp[2] = word[3];
	temp[3] = word[0];
	return temp;
}

2.3.3 密钥扩展函数

/** *** 密钥扩展函数(作用:得到10轮子密钥) *** *** Nk 密钥长度 = 4 (单位:4字节) *** Nr 加密轮数 = 10 *** ***初始的128位密钥 key[4 * 4字节] = k[0] k[1] k[2] k[3] *** k[4] k[5] k[6] k[7] *** k[8] k[9] k[10] k[11] *** k[12] k[13] k[14] k[15] *** *** 扩展密钥W的初始值: W0 = k[0] k[1] k[2] k[3] *** W1 = k[4] k[5] k[6] k[7] *** W2 = k[8] k[9] k[10] k[11] *** W3 = k[12] k[13] k[14] k[15] *** *** 注:Wi = w[4i] w[4i + 1] w[4i + 2] w[4i + 3] *** *** 第0轮子密钥 :W0 W1 W2 W3 *** 第1轮子密钥 :W4 W5 W6 W7 *** 第2轮子密钥 :W8 W9 W10 W11 *** 第3轮子密钥 :W12 W13 W14 W15 *** 第4轮子密钥 :W16 W17 W18 W19 *** 第5轮子密钥 :W20 W21 W22 W23 *** 第6轮子密钥 :W24 W25 W26 W27 *** 第7轮子密钥 :W28 W29 W30 W31 *** 第8轮子密钥 :W32 W33 W34 W35 *** 第9轮子密钥 :W36 W37 W38 W39 *** 第10轮子密钥:W40 W41 W42 W43 *** **/ 
void KeyExpansion(void)
{ 
        
  int row;
	byte temp[4];	
	byte *ret;
	memset(w, 0, 16 * 15);
	
	// 扩展密钥初始值 W0 ~ W3
	for(row = 0; row < Nk; row++)       // 复制 key[0] ~ key[15] 到 W[0] ~ W[15]
	{ 
        
		w[4 * row + 0] =  key[4 * row];
		w[4 * row + 1] =  key[4 * row + 1];
		w[4 * row + 2] =  key[4 * row + 2];
		w[4 * row + 3] =  key[4 * row + 3];
	}
	
	// 循环 40 轮 当前计算轮数 i = row - 4
	// 第1轮: 输入 W0 W3 输出 W4
	// 第2轮: 输入 W1 W4 输出 W5
	// 第3轮: 输入 W2 W5 输出 W6
	// 第4轮: 输入 W3 W6 输出 W7
	// 第i轮: 输入 W(i - 1) W(i + 2) 输出 W(i + 3)
	// 第40轮:输入 W39 W42 输出 W43
	for(row = Nk; row < 4 * (Nr + 1); row++)
	{ 
        
		temp[0] = w[4 * row - 4];     //当前列的前一列
		temp[1] = w[4 * row - 3];
		temp[2] = w[4 * row - 2];
		temp[3] = w[4 * row - 1];
		
		// 新列以如下的递归方式产生:
		
		// 逢nk时,对当前列的前一列作特殊处理
		// 如果 row 是4的倍数,Wi = W(i-4) ⊕ T(W(i-1)) 注:函数T由3部分组成:字循环、字节代换和轮常量异或
		// 如果 row 不是4的倍数,Wi = W(i-4) ⊕ W(i-1)
		
		// 当 row 是4的倍数,计算 T(W(i-1))
		if(row % Nk == 0)           	
		{ 
        
			// 先 “字循环” RotWord 再 “字节代换” SubWord
			ret = SubWord(RotWord(temp));
			temp[0] = ret[0];
			temp[1] = ret[1];
			temp[2] = ret[2];

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