AES加密解密演算法的C語言實現

AES（Advanced Encryption Standard）是一種對稱加密演算法，可用於對數據進行加密和解密。在本篇文章中，我們將介紹C語言中如何實現AES演算法，並對實現過程進行詳細闡述。

一、AES演算法介紹

AES演算法是目前最常用的對稱加密演算法之一，它支持128、192和256位加密密鑰。AES演算法的加密和解密都通過多輪變換實現，每一輪變換中包含4個操作：位元組替換、行移位、列混淆和輪密鑰加。

二、實現過程

在C語言中實現AES演算法需要用到一些基礎的數據結構和演算法。

1、位元組替換（SubBytes）

位元組替換是AES演算法中的第一個操作，其目的是將輸入的每個位元組都映射到另一個位元組。位元組替換使用的是一個固定的S盒，其中包含了256個不同的位元組值。在C語言中，可以使用一個256個元素的數組來表示S盒。以下是一個簡單的示例：

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演算法中的第二個操作，在這個操作中，AES演算法中的每一行都會循環移位。這意味著，第一行會保持不變，第二行會向左移動一個位元組，第三行會向左移動兩個位元組，而第四行則會向左移動三個位元組。在C語言中，可以使用一個循環進行行移位的操作。以下是一個簡單的示例：

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演算法中的第三個操作，該操作涉及到一個矩陣乘法。在C語言中，可以使用矩陣乘法來實現列混淆操作。以下是一個簡單的示例：

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、輪密鑰加（AddRoundKey）

輪密鑰加是AES演算法中的最後一個操作，在這個操作中，輸入狀態矩陣和當前輪的密鑰進行異或運算。在C語言中，可以使用一個簡單的循環來執行輪密鑰加操作。以下是一個簡單的示例：

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、總結

本文介紹了如何在C語言中實現AES加密解密演算法。通過實現位元組替換、行移位、列混淆和輪密鑰加操作，我們能夠對任意數據進行加密和解密操作。