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[算法] AES密码算法的实现细节 [复制链接]

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发表于 2007-08-04 17:56 |显示全部楼层
这几天比较闲,仔细研究了AES算法,并进行了实现,给出了算法标准流程的每一步实现,并给出了最终的优化版本。希望感兴趣的朋友拍砖。
     AES(Advanced Encryption Standard)密码算法的原理性介绍请参考密码、安全方面的资料,本文是参照《密码编码学与网络安全——原理与实践》上面介绍的方案实现的。AES密码有两种基本的实现方案:一种是标准的加/解密方案;另外一种是其变形形式,对解密过程重新设计,使解密算法与加密算法流程一致。第二种方案方便了密码算法的实现,但需要额外地对解密算法使用的轮密钥进行逆向列混淆变换。本文实现的AES采用第二种方案,针对该方案分析密码算法各阶段的实现方法,并给出最终的算法实现。

    AES算法在具体实现时,并不是完全按照标准流程进行的。从加/解密性能方面考虑,需要预先计算一些变换,并保存下来,在节约计算时间的同时却增加了密码算法的空间大小(用空间换时间)。

    本AES实现使用了4个大小为256的int32数组(te1, te2, te3, te4)来完成字节代换和列混淆的混合运算(同样,对于逆向运算也存在4个这样的数组(td1, td2, td3, td4));使用了4个大小为256的int32数组(imc1, imc2, imc3, imc4)来实现单独的逆向列混淆运算(用于解密算法的轮密钥生成);还有两个大小为256的int8数组,用于字节代换和逆向字节代换的S盒(sbox)和逆S盒(isbox)。还有一个用于生成轮密钥的轮常量数组(rcon)。这些数组占用的空间不到13K大小。可以根据具体应用进行修改,用算法变换代替数组变换可能会节约一些空间,但相应地增加了计算时间。

注:
(1)对于计算轮密钥中使用的逆向列混淆变换,可以使用相应的逆向列变换算法来代替这里的四个数组,从而可以节约4K的空间。并且,由于逆向列变换在该AES实现中只在轮密钥生成中使用,换成算法实现后不会对加/解的性能产生大的影响。
(2)轮常量的周期为51(可由前52个产生的轮常量知),并且在该AES算法中最多只用到前14个轮常量。

    本AES实现支持的工作模式包括:ECB, CBC, CFB, OFB, CTR。在实现时,是在一个函数同时支持这些工作模式的,可以根据需要拆分成相应的函数单独实现。
    本AES实现支持的密钥长度为128位/ 192位/256位,支持的基本块大小为128位。

    另外,有可能发生这种情况:加密/解密的字符串指针指向同一地址(重复利用空间),这也是被算法所允许的。因此,算法也必须对这种情况做相应处理。处理代码是在encrypt和decrypt中进行的,在所有可能出现的地方都用了临时空间(一个基本块大小)来进行输入的暂存,从而防止了输入/输出地址相同时可能出现的问题。(注意,这里没有检查是否这种情况的发生,而是假设发生并进行处理)。您可以根据自己的需要来改写,比如,进行检查,不同情况进行不同的处理(此时会增长代码量,但效率相对提高)。

    本AES实现除了支持基本块的整数倍的数据块的加密外,还支持任意长度的数据的加密,此时需要额外的一个或者两个基本块空间(先将最后的数据块进行填充,再用一个块记录最后一个数据块中的有效字节数)。在加密任意长的数据块之前,可以先调用成员函数获取目标空间的大小(提供了实现该按钮承认成员函数)。

    本文的实现环境为VC6,算法实现中使用了VC的扩展类型(__int32),因此,你在使用时可根据具体应用平台换成相应的32位整型类型即可。涉及两个工程:工程AesArrays用来产生最终的AES算法所需要的各种变换数组,也实现了算法的标准流程中的各阶段算法;工程AesCipher实现最终的AES算法,它使用了AesArays中生成的数组数据。另外,在AesCipher中,提供了一个工具类Base64实现Base64编码,以方便测试。
2007-08-06
今天发现一个小的问题,就是生成数据时,把所有u32_t的数据类型输出成了unsigned char(那个函数本来开始只针对unsigned char类型,后来写成了模板以用于u32_t,但却忘了相应修改输出),现在修正了
2007-08-20

(1)修正了原算法中存在的Bug(来自于AesArrays项目,从而带进了AES-Simple-Variant项目),本次修改对生成的数据进行了严格的验证。

(2)对密码算法进行了修改,默认情况下禁用了原来的imc1, imc2, imc3, imc4四个数组(其占用了4K内存空间),用相应的函数来代替数组参与运算(注:这些数组是由该函数预计算得到的)。当然,节省了内存空间,性能略有下降。事实上,其影响是很小的,因为该函数(或者数组)只在生成轮密钥时使用,当加密的数据量大时,其对性能的影响可忽略不计。如果你不在乎内存空间的使用,可以定义宏开关(__AES_IMC_SPEEDUP__)重新编译,从而使用数组而不是函数。

[ 本帖最后由 tyc611 于 2007-8-20 21:55 编辑 ]

AES.tar.gz

46.73 KB, 下载次数: 2233

AES实现

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发表于 2007-08-04 19:53 |显示全部楼层
有没有和官方的比较过速度?加密解密速度还是很重要的。
http://fp.gladman.plus.com/cryptography_technology/rijndael/

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发表于 2007-08-04 20:47 |显示全部楼层
原帖由 醉卧水云间 于 2007-8-4 19:53 发表
有没有和官方的比较过速度?加密解密速度还是很重要的。
http://fp.gladman.plus.com/cryptography_technology/rijndael/

没有作过比较,只要不如汇编比,我觉得应该差不多的,因为能提前计算的我都提前计算了(当然,用空间换来的)
谢谢你提供的网址,我看看

并且,我这里主要是提供给那些想学习AES的朋友看的,所以提供了各种预计算数据的生成方法。当然,这里实现的AES算法还是实用的。

[ 本帖最后由 tyc611 于 2007-8-4 20:50 编辑 ]

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发表于 2007-08-05 12:13 |显示全部楼层
安全性差,学习一下算法可以,不能实际应用。

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发表于 2007-08-05 12:23 |显示全部楼层
原帖由 JohnBull 于 2007-8-5 12:13 发表
安全性差,学习一下算法可以,不能实际应用。



怎么个说法?你破解了AES?

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发表于 2007-08-05 12:52 |显示全部楼层
原帖由 醉卧水云间 于 2007-8-5 12:23 发表



怎么个说法?你破解了AES?


听说算法如果实现不当,也有安全问题。

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发表于 2007-08-05 12:53 |显示全部楼层
原帖由 haoji 于 2007-8-5 12:52 发表


听说算法如果实现不当,也有安全问题。


没那么复杂。
连最基本的mlock都没使用,分页以后有可能被人偷窥到密钥。

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发表于 2007-08-05 15:14 |显示全部楼层
原帖由 JohnBull 于 2007-8-5 12:53 发表


没那么复杂。
连最基本的mlock都没使用,分页以后有可能被人偷窥到密钥。

不懂啊,能详细点么

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发表于 2007-08-05 21:04 |显示全部楼层
原帖由 tyc611 于 2007-8-5 15:14 发表

不懂啊,能详细点么


他说的是另外一个层面的安全问题,mlock无非就是不换页到硬盘嘛,和算法安全本身没有关联。即使是换页到硬盘没有权限也打不开更别说读数据了。

AES本身的安全性还是可以的,楼主的代码质量也很好!

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发表于 2007-08-05 21:14 |显示全部楼层
原帖由 tyc611 于 2007-8-5 15:14 发表

不懂啊,能详细点么



不复杂。

man mlock
看看就明白了,敏感数据必须禁止分页。

另外,凡是写入过敏感数据的内存,释放前都不要忘了bzero一下。
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