【应用暗码学】实验二 分组暗码（2）

一、实验要求与目的

1） 学习AES暗码算法原理
2） 学习AES暗码算法编程实现
二、实验内容与步骤记载（只记载关键步骤与结果，可截图，但留意排版与图片大小）

字符串加解密
运行python步伐，输入密文，即可在第一个框格中输入密文，即可得到加密字符串。
紧张步骤：自顶向下，徐徐求精，计划好AES每一个操纵。
紧张的操纵有密钥产生、字节代换、行移位及其逆变换、列肴杂及其逆变换、轮密钥加五项，分别为AES加密的五个函数板块。
同时，写查询函数：

如允许以得出查询结果，以便更好控制中心过程量，比方加密helloworld：

三、源代码记载（关键代码需备注）

2. # S盒
3. S_BOX = [
4.     0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, 0xf2, 0x6b, 0x6f, 0xc5, 0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, 0xfe, 0xd7, 0xab, 0x76,
5.     0xca, 0x82, 0xc9, 0x7d, 0xfa, 0x59, 0x47, 0xf0, 0xad, 0xd4, 0xa2, 0xaf, 0x9c, 0xa4, 0x72, 0xc0,
6.     0xb7, 0xfd, 0x93, 0x26, 0x36, 0x3f, 0xf7, 0xcc, 0x34, 0xa5, 0xe5, 0xf1, 0x71, 0xd8, 0x31, 0x15,
7.     0x04, 0xc7, 0x23, 0xc3, 0x18, 0x96, 0x05, 0x9a, 0x07, 0x12, 0x80, 0xe2, 0xeb, 0x27, 0xb2, 0x75,
8.     0x09, 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a, 0xa0, 0x52, 0x3b, 0xd6, 0xb3, 0x29, 0xe3, 0x2f, 0x84,
9.     0x53, 0xd1, 0x00, 0xed, 0x20, 0xfc, 0xb1, 0x5b, 0x6a, 0xcb, 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, 0xcf,
10.     0xd0, 0xef, 0xaa, 0xfb, 0x43, 0x4d, 0x33, 0x85, 0x45, 0xf9, 0x02, 0x7f, 0x50, 0x3c, 0x9f, 0xa8,
11.     0x51, 0xa3, 0x40, 0x8f, 0x92, 0x9d, 0x38, 0xf5, 0xbc, 0xb6, 0xda, 0x21, 0x10, 0xff, 0xf3, 0xd2,
12.     0xcd, 0x0c, 0x13, 0xec, 0x5f, 0x97, 0x44, 0x17, 0xc4, 0xa7, 0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73,
13.     0x60, 0x81, 0x4f, 0xdc, 0x22, 0x2a, 0x90, 0x88, 0x46, 0xee, 0xb8, 0x14, 0xde, 0x5e, 0x0b, 0xdb,
14.     0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c, 0xc2, 0xd3, 0xac, 0x62, 0x91, 0x95, 0xe4, 0x79,
15.     0xe7, 0xc8, 0x37, 0x6d, 0x8d, 0xd5, 0x4e, 0xa9, 0x6c, 0x56, 0xf4, 0xea, 0x65, 0x7a, 0xae, 0x08,
16.     0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, 0xa6, 0xb4, 0xc6, 0xe8, 0xdd, 0x74, 0x1f, 0x4b, 0xbd, 0x8b, 0x8a,
17.     0x70, 0x3e, 0xb5, 0x66, 0x48, 0x03, 0xf6, 0x0e, 0x61, 0x35, 0x57, 0xb9, 0x86, 0xc1, 0x1d, 0x9e,
18.     0xe1, 0xf8, 0x98, 0x11, 0x69, 0xd9, 0x8e, 0x94, 0x9b, 0x1e, 0x87, 0xe9, 0xce, 0x55, 0x28, 0xdf,
19.     0x8c, 0xa1, 0x89, 0x0d, 0xbf, 0xe6, 0x42, 0x68, 0x41, 0x99, 0x2d, 0x0f, 0xb0, 0x54, 0xbb, 0x16,
20. ]
22. # 常量轮 (Rcon)
23. R_CON = [0x00,0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80,0x1B,0x36]
25. # 将16字节明文转4x4矩阵
26. def bytes_to_matrix(text):
27.     return [list(text[i:i+4]) for i in range(0, len(text), 4)]
29. # 将矩阵转回16字节
30. def matrix_to_bytes(matrix):
31.     return bytes(sum(matrix, []))
33. #------------密钥扩展-----------
34. def key_expansion(key):
35.     key = [ord(c) for c in key]
36.     if len(key) < 16:
37.         key += [0x00] * (16 - len(key))
38.     elif len(key) > 16:
39.         key = key[:16]
41.     key_schedule = [key[i:i+4] for i in range(0, 16, 4)]
43.     for i in range(4, 44):
44.         temp = key_schedule[i-1]
45.         if i % 4 == 0:
46.             temp = [
47.                 S_BOX[temp[1]] ^ R_CON[i//4],
48.                 S_BOX[temp[2]],
49.                 S_BOX[temp[3]],
50.                 S_BOX[temp[0]],
51.             ]
52.         word = [a ^ b for a, b in zip(key_schedule[i-4], temp)]
53.         key_schedule.append(word)
54.     return [key_schedule[4*i:4*(i+1)] for i in range(11)]
55. #------------密钥扩展-----------
57. #------------字节代换-----------
58. def sub_bytes(state):
59.     for i in range(4):
60.         for j in range(4):
61.             state[i][j] = S_BOX[state[i][j]]
62.     return state
63. #------------字节代换-----------
65. #-------------行移位------------
66. def shift_rows(state):
67.     for i in range(1, 4):
68.         state[i] = state[i][i:] + state[i][:i]
69.     return state
70. #-------------行移位------------
72. # Galois乘法
73. def galois_multiply(a, b):
74.     p = 0
75.     for i in range(8):
76.         if b & 1:
77.             p ^= a
78.         high_bit_set = a & 0x80
79.         a <<= 1
80.         if high_bit_set:
81.             a ^= 0x1b
82.         a &= 0xFF
83.         b >>= 1
84.     return p % 256
86. #-------------列混合------------
87. def mix_columns(state):
88.     for i in range(4):
89.         a = state[0][i]
90.         b = state[1][i]
91.         c = state[2][i]
92.         d = state[3][i]
94.         state[0][i] = galois_multiply(a,2) ^ galois_multiply(b,3) ^ c ^ d
95.         state[1][i] = a ^ galois_multiply(b,2) ^ galois_multiply(c,3) ^ d
96.         state[2][i] = a ^ b ^ galois_multiply(c,2) ^ galois_multiply(d,3)
97.         state[3][i] = galois_multiply(a,3) ^ b ^ c ^ galois_multiply(d,2)
98.     return state
99. #-------------列混合------------
101. #------------轮密钥加-----------
102. def add_round_key(state, round_key):
103.     for i in range(4):
104.         for j in range(4):
105.             state[i][j] ^= round_key[i][j]
106.     return state
107. #------------轮密钥加-----------
109. #------------------------AES加密函数----------------------
110. def print_state(state, label):
111.     print(f"{label}:")
112.     for row in state:
113.         print(' '.join('{:02x}'.format(x) for x in row))
114.     print()
116. def aes_encrypt(plaintext, key="0123456789ABCDEF"):
117.     if len(plaintext) < 16:
118.         plaintext = plaintext.ljust(16, '\0')  # 补齐16字节
120.     state = bytes_to_matrix(plaintext.encode('utf-8'))
121.     round_keys = key_expansion(key)
123.     print("初始状态：")
124.     print_state(state, "初始输入")
126.     # -------初始轮密钥加-------
127.     state = add_round_key(state, round_keys[0])
128.     print_state(state, "初始轮密钥加")
130.     for i in range(1, 10):
131.         print(f"-------第{i}轮开始-------")
132.         # -------字节代换-------
133.         state = sub_bytes(state)
134.         print_state(state, f"第{i}轮 字节代换后")
136.         # -------行移位-------
137.         state = shift_rows(state)
138.         print_state(state, f"第{i}轮 行移位后")
140.         # -------列混合-------
141.         state = mix_columns(state)
142.         print_state(state, f"第{i}轮 列混合后")
144.         # -------轮密钥加-------
145.         state = add_round_key(state, round_keys[i])
146.         print_state(state, f"第{i}轮 轮密钥加后")
148.     # 最后一轮没有列混合
149.     print(f"-------第10轮开始-------")
150.     state = sub_bytes(state)
151.     print_state(state, "第10轮 字节代换后")
153.     state = shift_rows(state)
154.     print_state(state, "第10轮 行移位后")
156.     state = add_round_key(state, round_keys[10])
157.     print_state(state, "第10轮 轮密钥加后（最终输出）")
159.     return matrix_to_bytes(state)
160. #------------------------AES加密函数----------------------
162. # 主程序
163. def main():
164.     plaintext = input("请输入明文：")
165.     ciphertext = aes_encrypt(plaintext)
166.     print("加密后密文（十六进制显示）：")
167.     print(''.join('{:02x}'.format(b) for b in ciphertext))
169. if __name__ == "__main__":
170.     main()

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四、实验思考

1.  AES的解密过程是怎样的？
答：AES解密根本上就是加密过程的逆操纵，序次也反过来了，但每步需要用逆运算。详细是：首先将密文与末了一轮的轮密钥举行异或操纵（AddRoundKey），随后依次举行多轮逆变换。每一轮解密操纵包括四个步骤：①首先辈行逆行移位（Inverse ShiftRows），将各行的数据按肯定规则向右循环移动；②接着实行逆字节代换（Inverse SubBytes），使用逆S盒还原每个字节；③然后再次举行轮密钥加（AddRoundKey），将数据与对应的轮密钥异或；④在前九轮，还需举行逆列肴杂（Inverse MixColumns），通过特定的逆矩阵运算还原列间关系。末了一轮解密不再举行逆列肴杂。团体上，AES解密是加密过程的逆序实行，且每步使用相应的逆操纵，从而徐徐还原出明文。