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区块链背后的信息安全(1)AES加密算法原理及其GO语言实现

分类：区块链作者：编程之家
# AES加密算法原理及其GO语言实现

AES是作为DES的替代标准出现的，全称Advanced Encryption Standard，即：高级加密标准。
AES加密算法，经历了公开的选拔，最终2000年，由比利时密码学家Joan Daemen和vincent Rijmen设计的Rijndael算法被选中，成为了AES标准。

AES明文分组长度为128位，即16个字节，密钥长度可以为16个字节、24个字节、或32个字节，即128位密钥、192位密钥、或256位密钥。

## 总体结构

和DES相同，AES也由多个轮组成，其中每个轮分为SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey 4个步骤，即：字节代替、行移位、列混淆和轮密钥加。
根据密钥长度不同，所需轮数也不同，128位、192位、256位密钥，分别需要10轮、12轮和14轮。
第1轮之前有一次AddRoundKey，即轮密钥加，可以视为第0轮；之后1至N-1轮，执行SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey；最后一轮仅包括：SubBytes、MixColumns、AddRoundKey。

用Nr表示轮数，需要Nr+1次轮密钥加，因此需要Nr+1个子密钥。以128位密钥为例，需要11个子密钥，因此需要密钥扩展，密钥扩展方法下文介绍。
AES中没有使用Feistel网络，其结构称为SPN结构。

AES的解密算法，即加密算法的反向操作。

如下为AES总体结构示意图：



## 密钥扩展

Nk表示初始密钥的字数，一个字为4个字节，以16字节初始密钥为例，初始密钥共计4个字。
AES加密过程共计需Nk+7个子密钥，即4(Nk + 7)个字，以16字节初始密钥为例，共计需11个子密钥，44个字。
其中前Nk个字作为种子密钥，由初始密钥填充。以16字节初始密钥为例，前4个字，由初始密钥填充。
之后的每个字，W[i]等于前边一个字W[i-1]与Nk个字之前的字W[i-Nk]异或。
但是对于Nk整数倍位置的字，在异或之前先对W[i-1]做如下变换：字节循环移位、S盒变换，并异或轮常数。

如下为密钥扩展示意图：



go标准库AES密钥扩展实现如下：
```go
func expandKeyGo(key []byte,enc,dec []uint32) {
    var i int
    nk := len(key) / 4
    for i = 0; i < nk; i++ {
        //其中前Nk个字作为种子密钥，由初始密钥填充
        //以16字节初始密钥为例，前4个字，由初始密钥填充
        enc[i] = uint32(key[4*i])<<24 | uint32(key[4*i+1])<<16 | uint32(key[4*i+2])<<8 | uint32(key[4*i+3])
    }
    for ; i < len(enc); i++ {
        t := enc[i-1]
        if i%nk == 0 {
            //但是对于Nk整数倍位置的字，在异或之前先对W[i-1]做如下变换：字节循环移位、S盒变换，并异或轮常数
            t = subw(rotw(t)) ^ (uint32(powx[i/nk-1]) << 24)
        } else if nk > 6 && i%nk == 4 {
            t = subw(t)
        }
        //之后的每个字，W[i]等于前边一个字W[i-1]与Nk个字之前的字W[i-Nk]异或
        enc[i] = enc[i-nk] ^ t
    }

    //enc为加密子密钥组
    //dec为解密子密钥组，dec为enc逆序
    if dec == nil {
        return
    n := len(enc)
    for i := 0; i < n; i += 4 {
        ei := n - i - 4
        for j := 0; j < 4; j++ {
            x := enc[ei+j]
            if i > 0 && i+4 < n {
                x = td0[sBox0[x>>24]] ^ td1[sBox0[x>>16&0xff]] ^ td2[sBox0[x>>8&0xff]] ^ td3[sBox0[x&0xff]]
            }
            dec[i+j] = x
}
//代码位置src/crypto/aes/block.go
```

如下将展开介绍每轮中的4个步骤：字节代替、行移位、列混淆和轮密钥加。
## 字节代替SubBytes
AES定义了一个S盒，它由16x16个字节组成的矩阵，包含了8位所能表示的256个数的一个置换表。
AES的分组长度128位，即16字节，每个字节高4位作为行值、低4位作为列值，从S盒中查找指定行、列的值作为输出。
AES输入的16个字节，每个字节按上述方式映射为新的字节，即字节代替。

如下为go标准库中使用的S盒和逆S盒：
//S盒
var sBox0 = [256]byte{
    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,monospace;font-size:14px;">     0xb7,0xfd,0x93,0x26,0x36,0x3f,0xf7,0xcc,0x34,0xa5,0xe5,0xf1,0x71,0xd8,0x31,0x15,monospace;font-size:14px;">     0x04,0xc7,0x23,0xc3,0x18,0x96,0x05,0x9a,0x07,0x12,0x80,0xe2,0xeb,0x27,0xb2,0x75,monospace;font-size:14px;">     0x09,0x83,0x2c,0x1a,0x1b,0x6e,0x5a,0xa0,0x52,0x3b,0xd6,0xb3,0x29,0xe3,0x2f,0x84,monospace;font-size:14px;">     0x53,0xd1,0x00,0xed,0x20,0xfc,0xb1,0x5b,0x6a,0xcb,0xbe,0x39,0x4a,0x4c,0x58,0xcf,monospace;font-size:14px;">     0xd0,0xef,0xaa,0xfb,0x43,0x4d,0x33,0x85,0x45,0xf9,0x02,0x7f,0x50,0x3c,0x9f,0xa8,monospace;font-size:14px;">     0x51,0xa3,0x40,0x8f,0x92,0x9d,0x38,0xf5,0xbc,0xb6,0xda,0x21,0x10,0xff,0xf3,0xd2,monospace;font-size:14px;">     0xcd,0x0c,0x13,0xec,0x5f,0x97,0x44,0x17,0xc4,0xa7,0x7e,0x3d,0x64,0x5d,0x19,0x73,monospace;font-size:14px;">     0x60,0x81,0x4f,0xdc,0x22,0x2a,0x90,0x88,0x46,0xee,0xb8,0x14,0xde,0x5e,0x0b,0xdb,monospace;font-size:14px;">     0xe0,0x32,0x3a,0x0a,0x49,0x06,0x24,0x5c,0xc2,0xd3,0xac,0x62,0x91,0x95,0xe4,0x79,monospace;font-size:14px;">     0xe7,0xc8,0x37,0x6d,0x8d,0xd5,0x4e,0xa9,0x6c,0x56,0xf4,0xea,0x65,0x7a,0xae,0x08,monospace;font-size:14px;">     0xba,0x78,0x25,0x2e,0x1c,0xa6,0xb4,0xc6,0xe8,0xdd,0x74,0x1f,0x4b,0xbd,0x8b,0x8a,monospace;font-size:14px;">     0x70,0x3e,0xb5,0x66,0x48,0x03,0xf6,0x0e,0x61,0x35,0x57,0xb9,0x86,0xc1,0x1d,0x9e,monospace;font-size:14px;">     0xe1,0xf8,0x98,0x11,0x69,0xd9,0x8e,0x94,0x9b,0x1e,0x87,0xe9,0xce,0x55,0x28,0xdf,monospace;font-size:14px;">     0x8c,0xa1,0x89,0x0d,0xbf,0xe6,0x42,0x68,0x41,0x99,0x2d,0x0f,0xb0,0x54,0xbb,0x16,monospace;font-size:14px;"> }

//逆S盒
var sBox1 = [256]byte{
    0x52,0x09,monospace;font-size:14px;">     0x7c,monospace;font-size:14px;">     0x54,monospace;font-size:14px;">     0x08,monospace;font-size:14px;">     0x72,monospace;font-size:14px;">     0x6c,0x70,monospace;font-size:14px;">     0x90,0x8c,0xca,monospace;font-size:14px;">     0x3a,monospace;font-size:14px;">     0x96,0xe7,monospace;font-size:14px;">     0x47,0xb7,monospace;font-size:14px;">     0xfc,0xcd,monospace;font-size:14px;">     0x1f,0x51,monospace;font-size:14px;">     0xa0,0xe0,0x53,monospace;font-size:14px;">     0x17,0x04,0xba,0xe1,0x63,monospace;font-size:14px;"> //代码位置src/crypto/aes/const.go
## 行移位ShiftRows

AES输入的16个字节组成4x4字节矩阵，行移位即：
第1行保持不变，第2行循环左移1个字节，第3行循环左移2个字节，第4行循环左移3个字节。
逆向行移位为后3行做行移位的反向操作，如第2行循环右移1个字节，其他行类似处理。

附行移位示意图如下：



## 列混淆MixColumns
列混淆和逆向列混淆，实际上是使用乘法矩阵，但是其加法和乘法均为定义在有限域上的加法和乘法。
如下为正向列混淆：



如下为逆向列混淆：



## 轮密钥加AddRoundKey
轮密钥加，即128位输入与128位轮密钥做异或运算。
## go标准库中AES加密算法实现
go标准库中AES算法加密、解密实现代码如下：
func newCipherGeneric(key []byte) (cipher.Block,error) {
    n := len(key) + 28
    c := aesCipher{make([]uint32,n),make([]uint32,n)}
    //密钥扩展
    expandKeyGo(key,c.enc,c.dec)
    return &c,nil
//加密
//xk即子密钥组
func encryptBlockGo(xk []uint32,dst,src []byte) {
    var s0,s1,s2,s3,t0,t1,t2,t3 uint32

    //按4x4矩阵排列
    s0 = uint32(src[0])<<24 | uint32(src[1])<<16 | uint32(src[2])<<8 | uint32(src[3])
    s1 = uint32(src[4])<<24 | uint32(src[5])<<16 | uint32(src[6])<<8 | uint32(src[7])
    s2 = uint32(src[8])<<24 | uint32(src[9])<<16 | uint32(src[10])<<8 | uint32(src[11])
    s3 = uint32(src[12])<<24 | uint32(src[13])<<16 | uint32(src[14])<<8 | uint32(src[15])

    //第1次轮密钥加
    s0 ^= xk[0]
    s1 ^= xk[1]
    s2 ^= xk[2]
    s3 ^= xk[3]

    //nr为中间重复轮数
    //例如128位密钥，44字子密钥，此处为9轮
    //-2位去除开头和结尾轮
    nr := len(xk)/4 - 2
    //4表示已使用了4个字子密钥
    k := 4
    for r := 0; r < nr; r++ {
        //此处代码包括字节代替、行移位、列混淆、轮密钥加
        t0 = xk[k+0] ^ te0[uint8(s0>>24)] ^ te1[uint8(s1>>16)] ^ te2[uint8(s2>>8)] ^ te3[uint8(s3)]
        t1 = xk[k+1] ^ te0[uint8(s1>>24)] ^ te1[uint8(s2>>16)] ^ te2[uint8(s3>>8)] ^ te3[uint8(s0)]
        t2 = xk[k+2] ^ te0[uint8(s2>>24)] ^ te1[uint8(s3>>16)] ^ te2[uint8(s0>>8)] ^ te3[uint8(s1)]
        t3 = xk[k+3] ^ te0[uint8(s3>>24)] ^ te1[uint8(s0>>16)] ^ te2[uint8(s1>>8)] ^ te3[uint8(s2)]
        k += 4
        s0,s3 = t0,t3
    //最后一轮仅包括字节代替、行移位、轮密钥加
    //此处为字节代替和行移位
    s0 = uint32(sBox0[t0>>24])<<24 | uint32(sBox0[t1>>16&0xff])<<16 | uint32(sBox0[t2>>8&0xff])<<8 | uint32(sBox0[t3&0xff])
    s1 = uint32(sBox0[t1>>24])<<24 | uint32(sBox0[t2>>16&0xff])<<16 | uint32(sBox0[t3>>8&0xff])<<8 | uint32(sBox0[t0&0xff])
    s2 = uint32(sBox0[t2>>24])<<24 | uint32(sBox0[t3>>16&0xff])<<16 | uint32(sBox0[t0>>8&0xff])<<8 | uint32(sBox0[t1&0xff])
    s3 = uint32(sBox0[t3>>24])<<24 | uint32(sBox0[t0>>16&0xff])<<16 | uint32(sBox0[t1>>8&0xff])<<8 | uint32(sBox0[t2&0xff])

    //轮密钥加
    s0 ^= xk[k+0]
    s1 ^= xk[k+1]
    s2 ^= xk[k+2]
    s3 ^= xk[k+3]

    //输出
    dst[0],dst[1],dst[2],dst[3] = byte(s0>>24),byte(s0>>16),byte(s0>>8),byte(s0)
    dst[4],dst[5],dst[6],dst[7] = byte(s1>>24),byte(s1>>16),byte(s1>>8),byte(s1)
    dst[8],dst[9],dst[10],dst[11] = byte(s2>>24),byte(s2>>16),byte(s2>>8),byte(s2)
    dst[12],dst[13],dst[14],dst[15] = byte(s3>>24),byte(s3>>16),byte(s3>>8),byte(s3)
//解密
func decryptBlockGo(xk []uint32,monospace;font-size:14px;">         //此处代码包括逆向字节代替、逆向行移位、逆向列混淆、轮密钥加
        t0 = xk[k+0] ^ td0[uint8(s0>>24)] ^ td1[uint8(s3>>16)] ^ td2[uint8(s2>>8)] ^ td3[uint8(s1)]
        t1 = xk[k+1] ^ td0[uint8(s1>>24)] ^ td1[uint8(s0>>16)] ^ td2[uint8(s3>>8)] ^ td3[uint8(s2)]
        t2 = xk[k+2] ^ td0[uint8(s2>>24)] ^ td1[uint8(s1>>16)] ^ td2[uint8(s0>>8)] ^ td3[uint8(s3)]
        t3 = xk[k+3] ^ td0[uint8(s3>>24)] ^ td1[uint8(s2>>16)] ^ td2[uint8(s1>>8)] ^ td3[uint8(s0)]
    //最后一轮仅包括逆向字节代替、逆向行移位、轮密钥加
    //此处为逆向字节代替和逆向行移位
    s0 = uint32(sBox1[t0>>24])<<24 | uint32(sBox1[t3>>16&0xff])<<16 | uint32(sBox1[t2>>8&0xff])<<8 | uint32(sBox1[t1&0xff])
    s1 = uint32(sBox1[t1>>24])<<24 | uint32(sBox1[t0>>16&0xff])<<16 | uint32(sBox1[t3>>8&0xff])<<8 | uint32(sBox1[t2&0xff])
    s2 = uint32(sBox1[t2>>24])<<24 | uint32(sBox1[t1>>16&0xff])<<16 | uint32(sBox1[t0>>8&0xff])<<8 | uint32(sBox1[t3&0xff])
    s3 = uint32(sBox1[t3>>24])<<24 | uint32(sBox1[t2>>16&0xff])<<16 | uint32(sBox1[t1>>8&0xff])<<8 | uint32(sBox1[t0&0xff])




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