AES-128-CBC-PKCS5PADDING 加解密實現
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本文目的及實驗環境
1、實現128-bit的AES加解密過程
2、python3.7.0，windows10
原理及程式碼
整體原理圖
注意：最後一輪變換沒有mixcolumn過程。
CODE
ef aes_encrypt(text,key): #ok
# input text is a block
state = create_block(text)
# k0 xor plaintext
每一輪的演算法
（0）此處明文和金鑰長度都為128位元，則根據AES演算法知道應該加密10輪；
（1）資料分組
將一開始傳入AES演算法模組的資料，以BYTE為單位如下圖順序排列為4*4的矩陣
編排函式如下
def create_block(message): #ok
# arrange byte stream into a matrix
# message is a list of hex values
create = []
seq = [0,4,8,12,1,5,9,13,2,6,10,14,3,7,11,15]
# 16 bytes:
for i in range(16):
create.append(message[seq[i]])
return create
AES加密輪的演算法
（1）初始輪：第0輪，我們將明文矩陣與初始金鑰k0做異或運算，結果傳入第一輪加密模組。
第1-10輪：對第i輪按順序執行位元組替換、位元組移位、列混淆（除第10輪）、輪金鑰相加；
CODE
def aes_encrypt_round(i,state,roundkey): #ok
# byte substitution
state = substitution(state,0)
# byte rotation
state = rotation(state,0)
# if not final round: mix column
if i != 10:
state = mixcolumn(state,0)
# round key xor
state = xor(state,roundkey)
return state
AES解密輪的演算法
過程相同，順序不同。
初始輪：第0輪，我們將明文矩陣與初始金鑰k0做異或運算，結果傳入第一輪加密模組。
第1-10輪：對第i輪按順序執行位元組移位、位元組替換、輪金鑰相加、列混淆（除第10輪）；
CODE
def aes_decrypt_round(i,state, roundkey): #ok
# inv byte rotation
state = rotation(state,1)
# inv byte substitution
state = substitution(state,1)
# round key xor
state = xor(state,roundkey)
# if not first round: inv mix column
if i != 10:
state = mixcolumn(state,1)
return state
A、位元組替代 Byte Substitution
非線性的位元組替代，獨立對每個位元組進行運算，包括兩個具體過程：
（a）對位元組x在有限域GF(2^8)上求乘法逆，得到x-1，0x00的逆為其本身；
（b）在GF(2)上進行affine transform：y = Ax^-1+b，A為矩陣，b為向量，定值。
在實現的時候利用S盒打表實現，狀態矩陣中的元素按照下面的方式對映為一個新的位元組：把該位元組的高4位作為行值，低4位作為列值，取出S盒中對應的行的元素作為輸出。
解密通過逆S盒實現。
CODE
def substitution(state,mode): #ok
sbox = [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,
0xb7,0xfd,0x93,0x26,0x36,0x3f,0xf7,0xcc,0x34,0xa5,0xe5,0xf1,0x71,0xd8,0x31,0x15,
0x04,0xc7,0x23,0xc3,0x18,0x96,0x05,0x9a,0x07,0x12,0x80,0xe2,0xeb,0x27,0xb2,0x75,
0x09,0x83,0x2c,0x1a,0x1b,0x6e,0x5a,0xa0,0x52,0x3b,0xd6,0xb3,0x29,0xe3,0x2f,0x84,
0x53,0xd1,0x00,0xed,0x20,0xfc,0xb1,0x5b,0x6a,0xcb,0xbe,0x39,0x4a,0x4c,0x58,0xcf,
0xd0,0xef,0xaa,0xfb,0x43,0x4d,0x33,0x85,0x45,0xf9,0x02,0x7f,0x50,0x3c,0x9f,0xa8,
0x51,0xa3,0x40,0x8f,0x92,0x9d,0x38,0xf5,0xbc,0xb6,0xda,0x21,0x10,0xff,0xf3,0xd2,
0xcd,0x0c,0x13,0xec,0x5f,0x97,0x44,0x17,0xc4,0xa7,0x7e,0x3d,0x64,0x5d,0x19,0x73,
0x60,0x81,0x4f,0xdc,0x22,0x2a,0x90,0x88,0x46,0xee,0xb8,0x14,0xde,0x5e,0x0b,0xdb,
0xe0,0x32,0x3a,0x0a,0x49,0x06,0x24,0x5c,0xc2,0xd3,0xac,0x62,0x91,0x95,0xe4,0x79,
0xe7,0xc8,0x37,0x6d,0x8d,0xd5,0x4e,0xa9,0x6c,0x56,0xf4,0xea,0x65,0x7a,0xae,0x08,
0xba,0x78,0x25,0x2e,0x1c,0xa6,0xb4,0xc6,0xe8,0xdd,0x74,0x1f,0x4b,0xbd,0x8b,0x8a,
0x70,0x3e,0xb5,0x66,0x48,0x03,0xf6,0x0e,0x61,0x35,0x57,0xb9,0x86,0xc1,0x1d,0x9e,
0xe1,0xf8,0x98,0x11,0x69,0xd9,0x8e,0x94,0x9b,0x1e,0x87,0xe9,0xce,0x55,0x28,0xdf,
0x8c,0xa1,0x89,0x0d,0xbf,0xe6,0x42,0x68,0x41,0x99,0x2d,0x0f,0xb0,0x54,0xbb,0x16]
inv_sbox = [0x52,0x09,0x6a,0xd5,0x30,0x36,0xa5,0x38,0xbf,0x40,0xa3,0x9e,0x81,0xf3,0xd7,0xfb,
0x7c,0xe3,0x39,0x82,0x9b,0x2f,0xff,0x87,0x34,0x8e,0x43,0x44,0xc4,0xde,0xe9,0xcb,
0x54,0x7b,0x94,0x32,0xa6,0xc2,0x23,0x3d,0xee,0x4c,0x95,0x0b,0x42,0xfa,0xc3,0x4e,
0x08,0x2e,0xa1,0x66,0x28,0xd9,0x24,0xb2,0x76,0x5b,0xa2,0x49,0x6d,0x8b,0xd1,0x25,
0x72,0xf8,0xf6,0x64,0x86,0x68,0x98,0x16,0xd4,0xa4,0x5c,0xcc,0x5d,0x65,0xb6,0x92,
0x6c,0x70,0x48,0x50,0xfd,0xed,0xb9,0xda,0x5e,0x15,0x46,0x57,0xa7,0x8d,0x9d,0x84,
0x90,0xd8,0xab,0x00,0x8c,0xbc,0xd3,0x0a,0xf7,0xe4,0x58,0x05,0xb8,0xb3,0x45,0x06,
0xd0,0x2c,0x1e,0x8f,0xca,0x3f,0x0f,0x02,0xc1,0xaf,0xbd,0x03,0x01,0x13,0x8a,0x6b,
0x3a,0x91,0x11,0x41,0x4f,0x67,0xdc,0xea,0x97,0xf2,0xcf,0xce,0xf0,0xb4,0xe6,0x73,
0x96,0xac,0x74,0x22,0xe7,0xad,0x35,0x85,0xe2,0xf9,0x37,0xe8,0x1c,0x75,0xdf,0x6e,
0x47,0xf1,0x1a,0x71,0x1d,0x29,0xc5,0x89,0x6f,0xb7,0x62,0x0e,0xaa,0x18,0xbe,0x1b,
0xfc,0x56,0x3e,0x4b,0xc6,0xd2,0x79,0x20,0x9a,0xdb,0xc0,0xfe,0x78,0xcd,0x5a,0xf4,
0x1f,0xdd,0xa8,0x33,0x88,0x07,0xc7,0x31,0xb1,0x12,0x10,0x59,0x27,0x80,0xec,0x5f,
0x60,0x51,0x7f,0xa9,0x19,0xb5,0x4a,0x0d,0x2d,0xe5,0x7a,0x9f,0x93,0xc9,0x9c,0xef,
0xa0,0xe0,0x3b,0x4d,0xae,0x2a,0xf5,0xb0,0xc8,0xeb,0xbb,0x3c,0x83,0x53,0x99,0x61,
0x17,0x2b,0x04,0x7e,0xba,0x77,0xd6,0x26,0xe1,0x69,0x14,0x63,0x55,0x21,0x0c,0x7d]
ans = []
for i in range(len(state)):
# mode 0 for encryption, 1 for decryption:
if mode == 0:
ans.append(sbox[state[i]])
else:
ans.append(inv_sbox[state[i]])
return ans
B、位元組移位 ByteRotation
如下圖所示，第0-3行分別左移0-3個位元組；
則解密過程將0-3行分別右移0-3個位元組。
CODE
def rotation(state,mode): #ok
# shift left 0-3 bytes for each row
seq = [0,1,2,3,5,6,7,4,10,11,8,9,15,12,13,14]
# shift right 0-3 bytes for each row
inv_seq = [0,1,2,3,7,4,5,6,10,11,8,9,13,14,15,12]
ans = []
for i in range(16):
# 0 for enc, 1 for dec:
if mode == 0:
ans.append(state[seq[i]])
else:
ans.append(state[inv_seq[i]])
return ans
C、列混淆 MixColumns
在第1-9輪（第10輪不做！），用（逆）混淆矩陣左乘狀態矩陣，加密混合矩陣如下：
解密逆混淆矩陣如下：
CODE
def mixcolumn(state,mode): #ok
mix = [ 0x02,0x03,0x01,0x01,
0x01,0x02,0x03,0x01,
0x01,0x01,0x02,0x03,
0x03,0x01,0x01,0x02]
inv_mix = [ 0x0E,0x0B,0x0D,0x09,
0x09,0x0E,0x0B,0x0D,
0x0D,0x09,0x0E,0x0B,
0x0B,0x0D,0x09,0x0E]
# for each col, do matrix multiplication:
if mode == 0:
ans = matmul(mix,state)
else:
ans = matmul(inv_mix,state)
return ans
D、輪金鑰相加 AddRoundKey
將第i輪的金鑰與C中得到的矩陣做異或，傳入下一輪。這裡是將兩個矩陣對應的位元分別做異或。
CODE
# 矩陣異或
def xor(state,key):
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