AES加解密实验报告.docx
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AES加解密实验报告
《信息安全体系》课程设计报告
班级：
物联网2013级1班
姓名：
学号：
课程设计题目：
AES加密算法
所属课程：
物联网信息安全
实验室（中心）：
软件实验室60801
指导教师：
完成时间：
2016年6月6日
1.问题分析和任务定义
问题分析：
´AES是一个对称分组密码算法，根据使用的密码长度，AES最常见的有3种方案，用以适应不同的场景要求，分别是AES-128、AES-192和AES-256。
´AES加密过程涉及到4种操作：
字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。
解密过程分别为对应的逆操作。
由于每一步操作都是可逆的，按照相反的顺序进行解密即可恢复明文。
´AES算法是基于置换和代替的。
置换是数据的重新排列，而代替是用一个单元数据替换另一个。
AES使用了几种不同的技术来实现置换和替换。
任务（功能）定义：
（数据结构部分）
（1）明文转换：
Utf8.encode（strUni）;//将得到的明文或密钥通过Utf8编码
Utf8.decode（strUtf）;//将UTF-8编码的字符串解码成多字节Unicode字符
Base64.encode=function（str,utf8encode）//将UTF-8编码得到的字符通过Base64编码
Base64.decode=function（str,utf8decode）//将UTF-8解码得到的字符通过Base64解码
（2）轮密钥加：
Aes.addRoundKey=function（state,w,rnd,Nb）//将128位的state矩阵按位与128位密钥异或
（3）字节代替：
Aes.subBytes=function（s,Nb）//将状态矩阵的每个字节，进行4*Nb矩阵的遍历并替换
（4）列混淆：
Aes.mixColumns=function（s,Nb）//将状态矩阵逐列混合
（5）行位移：
Aes.shiftRows=function（s,Nb）//状态矩阵的第0行不变，第1行向左移一个字节，第2行向左移两个字节，第三行向左移三个字节
（6）密钥扩展：
Aes.keyExpansion=function（key）//将输入的密钥扩展为11组128位密钥组，其中第0组为输入密钥本身
2.环境简介
开发环境：
WebStrom11.0.2
环境简介：
WebStorm是jetbrains公司旗下一款JavaScript开发工具。
被广大中国JS开发者誉为“Web前端开发神器”、“最强大的HTML5编辑器”、“最智能的JavaScriptIDE”等。
与IntelliJIDEA同源，继承了IntelliJIDEA强大的JS部分的功能。
3.程序设计
根据算法密钥的长度，AES有3种不同方案用以满足不同的场景需求，分别是AES-128、AES-192和AES-256。
本次内容主要对AES-128进行设计，另外两种的思路基本一样，只是密钥扩展的过程会稍有不同，加解密的轮数会适当增加，但加解密的操作都是一样的。
（1）AES加解密流程
（2）字节替代
字节代替的主要功能是通过S盒完成一个字节到另外一个字节的映射。
主要算法：
Aes.subBytes=function（s,Nb）{
for（varr=0;r<4;r++）{
for（varc=0;cs[r][c]=Aes.sBox[s[r][c]];
}
returns;
};
（3）行位移
第一行保存不变，第二行循环左移1个字节，第三行循环左移2个字节，第四行循环左移3个字节。
主要算法：
Aes.shiftRows=function（s,Nb）{
vart=newArray（4）;
for（varr=1;r<4;r++）{
for（varc=0;c<4;c++）t[c]=s[r][（c+r）%Nb];
for（varc=0;c<4;c++）s[r][c]=t[c];
}
returns;
};
（4）列混淆
根据矩阵的乘法可知，在列混淆的过程中，每个字节对应的值只与该列的4个值有关系。
此处的乘法和加法都是定义在GF（28）上的，需要注意如下几点：
1）将某个字节所对应的值乘以2，其结果就是将该值的二进制位左移一位，如果该值的最高位为1（表示该数值不小于128），则还需要将移位后的结果异或00011011；
2）乘法对加法满足分配率
3）此处的矩阵乘法与一般意义上矩阵的乘法有所不同，各个值在相加时使用的是模2加法（相当于是异或运算）。
主要算法：
Aes.mixColumns=function（s,Nb）{
for（varc=0;cvara=newArray（4）;
varb=newArray（4）;
for（vari=0;i<4;i++）{
a[i]=s[i][c];
b[i]=s[i][c]&0x80?
s[i][c]<<1^0x011b:
s[i][c]<<1;
}
s[0][c]=b[0]^a[1]^b[1]^a[2]^a[3];
s[1][c]=a[0]^b[1]^a[2]^b[2]^a[3];
s[2][c]=a[0]^a[1]^b[2]^a[3]^b[3];
s[3][c]=a[0]^b[0]^a[1]^a[2]^b[3];
}
returns;
};
（5）轮密钥加
任何数和自身的异或结果为0。
加密过程中，每轮的输入与轮密钥异或一次；因此，解密时再异或上该轮的密钥即可恢复输入。
主要算法：
Aes.addRoundKey=function（state,w,rnd,Nb）{
for（varr=0;r<4;r++）{
for（varc=0;cstate[r][c]^=w[rnd*4+c][r];}
returnstate;
};
（6）密钥扩展
密钥扩展过程说明：
1） 将初始密钥以列为主，转化为4个32bits的字，分别记为w[0…3]；
2） 按照如下方式，依次求解w[j]，其中j是整数并且属于[4,43]；
3） 若j%4=0,则w[j]=w[j-4]⊕g（w[j-1]）,否则w[j]=w[j-4]⊕w[j-1]；
函数g的流程说明：
4） 将w循环左移一个字节；
5） 分别对每个字节按S盒进行映射；
6） 与32bits的常量（RC[j/4],0,0,0）进行异或，RC是一个一维数组，其值如下。
（RC的值只需要有10个，而此处用了11个，实际上RC[0]在运算中没有用到，增加RC[0]是为了便于程序中用数组表示。
由于j的最小取值是4，j/4的最小取值则是1，因此不会产生错误。
）
RC={00,01,02,04,08,10,20,40,80,1B,36}
主要算法：
Aes.keyExpansion=function（key）{
varNb=4;//明文列数
varNk=key.length/4;//密钥列数128位，NK=4;
varNr=Nk+6;//轮数
varw=newArray（Nb*（Nr+1））;
vartemp=newArray（4）;
for（vari=0;ivarr=[key[4*i],key[4*i+1],key[4*i+2],key[4*i+3]];
w[i]=r;
}
for（vari=Nk;i<（Nb*（Nr+1））;i++）{
w[i]=newArray（4）;
for（vart=0;t<4;t++）temp[t]=w[i-1][t];
if（i%Nk==0）{
temp=Aes.subWord（Aes.rotWord（temp））;
for（vart=0;t<4;t++）temp[t]^=Aes.rCon[i/Nk][t];
}elseif（Nk>6&&i%Nk==4）{
temp=Aes.subWord（temp）;
}
for（vart=0;t<4;t++）w[i][t]=w[i-Nk][t]^temp[t];
}
returnw;
};
4.用户使用说明
先输入明文和密钥，点击“加密”按钮进行加密，点击“解密”按钮进行解密，利用清空按钮清空当前表单。
5.测试数据与测试结果分析
AES_128加解密测试：
1）明文处输入：
算法测试；密钥处输入:
123456；点击加密按钮
2）点击解密按钮
分析：
通过加密按钮可以得到每一轮加密后的16进制结果，最终在加密对应的框里将最后一轮的加密结果通过Base64编码成字符串格式显示出来。
通过解密按钮，将加密出来的结果（字符串）通过Base64解码，通过解密算法得到最后的解密结果。
从加解密过程这一栏可以看出，第1轮加密结果与第10轮解密结果一致，第2轮加密结果与第9轮解密结果一致。
这是由于AES是对称加密，相同的明文和密钥，加解密的结果应该一致。
3）重复步骤1）
在这个例子中，由于明文分组长度和密钥长度均为128位，而输入的明文只有8个字节，不足16字节的明文将随机填充，密钥只有6个字节，不足16字节的密钥将用0填充；因此，同样的明文和密钥，再次进行加密的时候，将会得到不同的结果。
6.总结
这次课程设计我是利用JavaScript语言来实现的，但不管什么语言，密码学本身的精华不会改变。
通过这次课程设计，AES加密算法的步骤和原理已经熟悉和掌握了，虽然只实现了128bit的AES加解密，但在整个过程中仍然遇到了很多困难，比如，用的是二维数组，遇到有时输入是先行后列，但是按照数组的定义是先列后行，很多时候有点绕。
另外，矩阵乘法那里的异或函数，由于是十六进制的算法，需要用到二进制乘法的知识。
还有就是对输入文本的处理，有汉字，有字符，有数字，刚开始对它们的处理还不知从哪里下手，后来查阅资料才知道用UTF-8和Base64的规则来处理。
在界面设计时，通过HTML+CSS设计出了一个有良好交互的简单网页。
总之，在这次课程设计过程中学到了很多自己欠缺的东西，也从中加强了自己处理问题的能力。
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