AES加密解密算法的C语言实现

AES（Advanced Encryption Standard）是一种对称加密算法，可用于对数据进行加密和解密。在本篇文章中，我们将介绍C语言中如何实现AES算法，并对实现过程进行详细阐述。

一、AES算法介绍

AES算法是目前最常用的对称加密算法之一，它支持128、192和256位加密密钥。AES算法的加密和解密都通过多轮变换实现，每一轮变换中包含4个操作：字节替换、行移位、列混淆和轮密钥加。

二、实现过程

在C语言中实现AES算法需要用到一些基础的数据结构和算法。

1、字节替换（SubBytes）

字节替换是AES算法中的第一个操作，其目的是将输入的每个字节都映射到另一个字节。字节替换使用的是一个固定的S盒，其中包含了256个不同的字节值。在C语言中，可以使用一个256个元素的数组来表示S盒。以下是一个简单的示例：

uint8_t Sbox[256] = {
    0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, 0xf2, 0x6b, 0x6f, 0xc5,
    0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, 0xfe, 0xd7, 0xab, 0x76,
    // more elements...
};

2、行移位（ShiftRows）

行移位是AES算法中的第二个操作，在这个操作中，AES算法中的每一行都会循环移位。这意味着，第一行会保持不变，第二行会向左移动一个字节，第三行会向左移动两个字节，而第四行则会向左移动三个字节。在C语言中，可以使用一个循环进行行移位的操作。以下是一个简单的示例：

void ShiftRows(uint8_t state[4][4])
{
    uint8_t temp;

    // Shift second row
    temp = state[1][0];
    state[1][0] = state[1][1];
    state[1][1] = state[1][2];
    state[1][2] = state[1][3];
    state[1][3] = temp;

    // Shift third row
    temp = state[2][0];
    state[2][0] = state[2][2];
    state[2][2] = temp;
    temp = state[2][1];
    state[2][1] = state[2][3];
    state[2][3] = temp;

    // Shift fourth row
    temp = state[3][3];
    state[3][3] = state[3][2];
    state[3][2] = state[3][1];
    state[3][1] = state[3][0];
    state[3][0] = temp;
}

3、列混淆（MixColumns）

列混淆是AES算法中的第三个操作，该操作涉及到一个矩阵乘法。在C语言中，可以使用矩阵乘法来实现列混淆操作。以下是一个简单的示例：

void MixColumns(uint8_t state[4][4])
{
    uint8_t temp[4];

    for (uint8_t i = 0; i < 4; ++i) {
        temp[0] = GMul(0x02, state[0][i]) ^ GMul(0x03, state[1][i]) ^ state[2][i] ^ state[3][i];
        temp[1] = state[0][i] ^ GMul(0x02, state[1][i]) ^ GMul(0x03, state[2][i]) ^ state[3][i];
        temp[2] = state[0][i] ^ state[1][i] ^ GMul(0x02, state[2][i]) ^ GMul(0x03, state[3][i]);
        temp[3] = GMul(0x03, state[0][i]) ^ state[1][i] ^ state[2][i] ^ GMul(0x02, state[3][i]);
        state[0][i] = temp[0];
        state[1][i] = temp[1];
        state[2][i] = temp[2];
        state[3][i] = temp[3];
    }
}

uint8_t GMul(uint8_t a, uint8_t b)
{
    uint8_t p = 0;
    while (b) {
        if (b & 1) p ^= a;
        if (a & 0x80) a = (a << 1) ^ 0x1B;
        else a <<= 1;
        b >>= 1;
    }
    return p;
}

4、轮密钥加（AddRoundKey）

轮密钥加是AES算法中的最后一个操作，在这个操作中，输入状态矩阵和当前轮的密钥进行异或运算。在C语言中，可以使用一个简单的循环来执行轮密钥加操作。以下是一个简单的示例：

void AddRoundKey(uint8_t state[4][4], uint8_t *round_key)
{
    for (uint8_t i = 0; i < 4; ++i) {
        state[0][i] ^= round_key[i];
        state[1][i] ^= round_key[4+i];
        state[2][i] ^= round_key[8+i];
        state[3][i] ^= round_key[12+i];
    }
}

三、总结

本文介绍了如何在C语言中实现AES加密解密算法。通过实现字节替换、行移位、列混淆和轮密钥加操作，我们能够对任意数据进行加密和解密操作。