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利用VB实现AES算法[VB知识库-Visual Basic Knowledge base] |
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| 利用VB实现AES算法[VB知识库-Visual Basic Knowledge base] |
| 作者:Admin 来源:VB知识库 录入:Admin 更新时间：2008-5-3 10:04:32 点击数：1 |
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自 20 世纪 70 年代以来一直广泛使用的“数据加密标准”(DES) 日益显出衰老的痕迹，而一种新的算法 -- Rijndael -- 正顺利地逐渐变成新标准。这里，Larry Loeb 详细说明了每一种算法，并提供了关于为什么会发生这种变化的内幕信息。
DES 算法是全世界最广泛使用的加密算法。最近，就在 2000 年 10 月，它在其初期就取得的硬件方面的优势已经阻碍了其发展，作为政府加密技术的基础，它已由“高级加密标准”(AES) 中包含的另一种加密算法代替了。AES 是指定的标准密码系统，未来将由政府和银行业用户使用。AES 用来实际编码数据的加密算法与以前的 DES 标准不同。我们将讨论这是如何发生的，以及 AES 中的 Rijndael 算法是如何取代 DES 的算法的。
“高级加密标准”成就
但直到 1997 年，美国国家标准技术局 (NIST) 才开始打着 AES 项目的旗帜征集其接任者。1997 年 4 月的一个 AES 研讨会宣布了以下 AES 成就的最初目标：
• 可供政府和商业使用的功能强大的加密算法
• 支持标准密码本方式
• 要明显比 DES 3 有效
• 密钥大小可变，这样就可在必要时增加安全性
• 以公正和公开的方式进行选择
• 可以公开定义
• 可以公开评估
AES 的草案中最低可接受要求和评估标准是：
A.1 AES 应该可以公开定义。
A.2 AES 应该是对称的块密码。
A.3 AES 应该设计成密钥长度可以根据需要增加。
A.4 AES 应该可以在硬件和软件中实现。
A.5 AES 应该 a) 可免费获得。
A.6 将根据以下要素评价符合上述要求的算法：
1. 安全性（密码分析所需的努力）
2. 计算效率
3. 内存需求
4. 硬件和软件可适用性
5. 简易性
6. 灵活性
7. 许可证需求（见上面的 A5）
Rijndael：AES 算法获胜者
1998年8月20日NIST召开了第一次AES侯选会议，并公布了15个AES侯选算法。经过一年的考察，MARS，RC6，Rijndael，Serpent，Twofish共5种算法通过了第二轮的选拔。2000 年 10 月，NIST 选择 Rijndael（发音为 "Rhine dale"）作为 AES 算法。它目前还不会代替 DES 3 成为政府日常加密的方法，因为它还须通过测试过程，“使用者”将在该测试过程后发表他们的看法。但相信它可以顺利过关。
Rijndael 是带有可变块长和可变密钥长度的迭代块密码。块长和密钥长度可以分别指定成 128、192 或 256 位。
Rijndael 中的某些操作是在字节级上定义的，字节表示有限字段 GF(28) 中的元素，一个字节中有 8 位。其它操作都根据 4 字节字定义。
加法照例对应于字节级的简单逐位 EXOR。
在多项式表示中，GF(28) 的乘法对应于多项式乘法模除阶数为 8 的不可约分二进制多项式。（如果一个多项式除了 1 和它本身之外没有其它约数，则称它为不可约分的。）对于 Rijndael，这个多项式叫做 m(x)，其中：m(x) = (x8 + x4 + x3 + x + 1) 或者十六进制表示为 '11B'。其结果是一个阶数低于 8 的二进制多项式。不像加法，它没有字节级的简单操作。
不使用 Feistel 结构！
在大多数加密算法中，轮回变换都使用著名的 Feistel 结构。在这个结构中，中间 State 的位部分通常不做更改调换到另一个位置。（这种线性结构的示例是我们在 DES 部分中讨论的那些表，即使用固定表的形式交换位。）Rijndael 的轮回变换不使用这个古老的 Feistel 结构。轮回变换由三个不同的可逆一致变换组成，叫做层。（“一致”在这里表示以类似方法处理 State 中的位。）
线性混合层保证了在多个轮回后的高度扩散。非线性层使用S-BOX的并行应用，该应用程序有期望的（因此是最佳的）最差非线性特性。S-BOX是非线性的。依我看来，这就 DES 和 Rijndael 之间的密钥概念差异。密钥加法层是对中间 State 的轮回密钥 (Round Key) 的简单 EXOR，如以下所注。
Rijndael算法
加密算法
Rijndael算法是一个由可变数据块长和可变密钥长的迭代分组加密算法，数据块长和密钥长可分别为128，192或256比特。
数据块要经过多次数据变换操作，每一次变换操作产生一个中间结果，这个中间结果叫做状态。状态可表示为二维字节数组，它有4行，Nb列，且Nb等于数据块长除32。如表2-3所示。
a0,0 a0,1 a0,2 a0,3 a0,4 a0,5
a1,0 a1,1 a1,2 a1,3 a1,4 a1,5
a2,0 a2,1 a2,2 a2,3 a2,4 a2,5
a3,0 a3,1 a3,2 a3,3 a3,4 a3,5
数据块按a0,0 , a1,0 , a2,0 , a3,0 , a0,1 , a1,1 , a2,1 , a3,1 , a0,2…的顺序映射为状态中的字节。在加密操作结束时，密文按同样的顺序从状态中抽取。
密钥也可类似地表示为二维字节数组，它有4行，Nk列，且Nk等于密钥块长除32。算法变换的圈数Nr由Nb和Nk共同决定，具体值列在表2-4中。
表3-2 Nb和Nk决定的Nr的值
Nr Nb = 4 Nb = 6 Nb = 8
Nk = 4 10 12 14
Nk = 6 12 12 14
Nk = 8 14 14 14
3.2.1圈变换
加密算法的圈变换由4个不同的变换组成，定义成：
Round(State,RoundKey)
{
ByteSub(State);
ShiftRow(State);
MixColumn(State);
AddRoundKey(State,RoundKey); (EXORing a Round Key to the State)
}
加密算法的最后一圈变换与上面的略有不同，定义如下：
FinalRound(State,RoundKey)
{
ByteSub(State);
ShiftRow(State);
AddRoundKey(State,RoundKey);
}
ByteSub变换
ByteSub变换是作用在状态中每个字节上的一种非线形字节变换。这个S盒子是可逆的且由以下两部分组成：
把字节的值用它的乘法逆替代，其中‘00’的逆就是它自己。
经（1）处理后的字节值进行如下定义的仿射变换：
y0 1 1 1 1 1 0 0 0 x0 0
y1 0 1 1 1 1 1 0 0 x1 1
y2 0 0 1 1 1 1 1 0 x2 1
y3 0 0 0 1 1 1 1 1 x3 0
y4 = 1 0 0 0 1 1 1 1 x4 + 0
y5 1 1 0 0 0 1 1 1 x5 0
y6 1 1 1 0 0 0 1 1 x6 1
y7 1 1 1 1 0 0 0 1 x7 1
ShiftRow变换
在ShiftRow变换中，状态的后3行以不同的移位值循环右移，行1移C1字节，行2移C2字节，行3移C3字节。
移位值C1，C2和C3与加密块长Nb有关，具体列在表2-5中：
表3-3 不同块长的移位值
Nb C1 C2 C3
4 1 2 3
MixColumn变换
在MixColumn变换中，把状态中的每一列看作GF（28）上的多项式与一固定多项式c(x)相乘然后模多项式x4+1，其中c(x)为：
c(x) =‘03’x3 + ‘01’x2 + ‘01’x + ‘02’
圈密钥加法
在这个操作中，圈密钥被简单地使用异或操作按位应用到状态中。圈密钥通过密钥编制得到，圈密钥长等于数据块长Nb。
在这个表示法中，“函数”(Round, ByteSub, ShiftRow,...) 对那些被提供指针 (State, RoundKey) 的数组进行操作。ByteSub 变换是非线性字节交换，各自作用于每个 State 字节上。在 ShiftRow 中，State 的行按不同的偏移量循环移位。在 MixColumn 中，将 State 的列视为 GF(28) 多项式，然后乘以固定多项式 c( x ) 并模除 x4 + 1，其中 c( x ) = '03' x3 + '01' x2+ '01' x + '02'。这个多项式与 x4 + 1 互质，因此是可逆的。
轮回密钥通过密钥计划方式从密码密钥 (Cipher Key) 派生而出。它有两个组件：密钥扩展 (Key Expansion) 和轮回密钥选择 (Round Key Selection)。轮回密钥的总位数等于块长度乘以轮回次数加 1（例如，块长度等于 128 位，10 次轮回，那么就需要 1408 个轮回密钥位）。
密码密钥扩充成扩展密钥 (Expanded Key)。轮回密钥是通过以下方法从这个扩展密钥中派生的：第一个轮回密钥由前 Nb（Nb = 块长度）个字组成，第二个由接着的 Nb 个字组成，以此类推。
加密算法由以下部分组成：初始轮回密钥加法、Nr-1 个轮回和最后一个轮回。
由于 Rijndael 是可逆的，解密过程只是颠倒上述的步骤。
最后，开发者将仔细考虑如何集成这种安全性进展，使之成为继 Rijndael 之后又一个得到广泛使用的加密算法。AES 将很快应一般商业团体的要求取代 DES 成为标准，而该领域的发展进步无疑将追随其后。
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