1、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（A
2、ddRoundKey）。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Base
3、64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,
4、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：WebStrom 11.0.2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JavaScript IDE”等。与IntelliJ IDEA同源，继承了IntelliJ IDEA强大的JS部分的功能。3
5、.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 (var r=0; r4; r+) for (var c=0; cNb; c+) src = Aes.sBoxsrc; return s;（3）行位移第
6、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) var t = new Array(4); for (var r=1; r4; r+) for (var c=0; c4; c+) tc = sr(c+r)%Nb; for (var c=0; c4; c+) src = tc; return s;（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
7、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 (var c=0; cNb; c+) var a = new Array(4); var b = new Array(4); for (var i=0; i4; i+) ai = sic; bi = sic&0x80 ? sic1 0x011b : sic1; s0c
8、= b0 a1 b1 a2 a3; s1c = a0 b1 a2 b2 a3; s2c = a0 a1 b2 a3 b3; s3c = a0 b0 a1 a2 b3; return s;（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 (var r=0; r4; r+) for (var c=0; cNb; c+) staterc = wrnd*4+cr; return state;（6）密钥扩展密钥扩展过程说
9、明：1) 将初始密钥以列为主，转化为4个32 bits的字，分别记为w03；2) 按照如下方式，依次求解wj，其中j是整数并且属于4,43；3) 若j%4=0,则wj=wj-4g(wj-1),否则wj=wj-4wj-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32 bits的常量（RCj/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RC0在运算中没有用到，增加RC0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,
10、02, 04, 08, 10, 20, 40, 80, 1B, 36主要算法：Aes.keyExpansion = function(key) var Nb = 4; /明文列数var Nk = key.length/4; /密钥列数 128位，NK=4; var Nr = Nk + 6; /轮数 var w = new Array(Nb*(Nr+1); var temp = new Array(4); for (var i=0; iNk; i+) var r = key4*i, key4*i+1, key4*i+2, key4*i+3; wi = r; for (var i=Nk; i(Nb
11、*(Nr+1); i+) wi = new Array(4); for (var t=0; t4; t+) tempt = wi-1t; if (i % Nk = 0) temp = Aes.subWord(Aes.rotWord(temp); for (var t=0; t 6 & i%Nk = 4) temp = Aes.subWord(temp); for (var t=0; t4; t+) wit = wi-Nkt tempt; return w;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A
12、ES_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
13、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。
