基于AES的加密机制的实现

论文编号:TX043        论文字数:23746,页数:57

摘 要

对称密码是现代密码学中的一个重要分支，其诞生和发展有着广泛的使用背景和重要的理论价值。目前这一领域还有许多理论和实际问题有待继续研究和完善。这些问题包括：如何设计可证明安全的密码算法；如何加强现有算法及其工作模式的安全性；如何测试密码算法的安全性；如何设计安全的密码组件，例如 S-盒、扩散层及密钥扩展算法等。目前分组密码所采用的整体结构可分为 Feistel 结构（如CAST-256、DEAL、 DFC、E2等）、SP 网络（如 Safer+、Serpent 等）及其他密码结构（例如Frog和HPC）。Feistel 结构最大的优点是容易保证加解密的相似性；SP 网络则是扩散性能比较好。AES 沿袭了 SQUARE 的特点采用了 SP 网络结构，并在加解密过程大量使用矩阵运算，这样做使得加密和解密过程略有不同，但大幅提高了算法实现的效率。虽然 AES 的设计在分组密码系统的发展上有了一个质的飞跃，然而目前仍有研究和改进的空间。AES 在多种平台上实现的效率有待进一步提高， 同时新的加解密工作模式也有待研究。本论文简单介绍了对称密码学的部分基本知识和 AES 算法的工作过程，根据 AES 算法大量矩阵运算的的特点，改进了传统的基于查表运算提高加解密速度的方法，给出了其在时间和空间上的优化实现： 该算法的时间优化能够提高 AES 算法的加解密速度， 空间优化能在提高速度的前提下节省存储上的开销；同时提出了 S 盒在硬件平台上生成的高效方法。另外，AES 的工作模式也是目前研究的热点之一。论文作者利用 Rijndael 算法在分组长度和密钥长度上的灵活性，设计了一种基于随机分组的加解密工作模式，这种工作模式能够提高 Rijndael 算法工作的安全性；论文中证明了在目前应用的消息长度下，完全解密这种模式是不可能事件；该模式还可与 CFB、CBC 等原有模式组合，在保持原有模式优势的基础上大大增加安全性；另外，本论文分析了这种模式的其它特性，对这种工作模式的应用环境提出了建议。 关键词：对称加密算法，Rijndael，有限域，工作模式

ABSTRACT
Symmetrical cryptosystem is an important branch of modern cryptography, with
its appearance and development there are wide applicant background and theorial
value. There are lot theorial and applicant problems need to be studied and optimized,
such as: how to design a provable safe cryptosystem, how to strengthen the safty of
algorithms and working modules which are already available, how to test the safty of
a cipher algorithm, how to design safe components of a cryptosystem, as S-boxes,
diffusing layers, and key-expanding processes, etc.
The general architecture of symmetrical cryptosystem at present can be sorted as
Feistel (CAST-256, DEAL, DFC E2, etc.), SP network (Safer+, Serpent, etc.) and
other architectures (Frog, HPC). Symmetry is the most distinct character of Feistel,
while SP network has a good deffuse capability. AES inherited SQUARE in
designation, and added in a lot of matrix operations. This causes a bit different
between encryption and decryption, but it optimizes the efficiency of the algorism.
     AES is a rapid progress in cryptosystem development, however, it needs to be
ameliorated yet. The efficiency of AES may be boosted, and new working module is
also necessary to be developed.
This paper introuduces the theory of semmetrical cryptography and the working
process of AES algorithm, improves a conventional means of increasing the
encrypting speed based on table-looking-up method, proposes its optimized algorism,
which can greately increase the encrypting/decrypting speed, or save on memory
space. Besides, a high-efficient method of generating S-box is proposed.
And, the working module of AES is also a hot point of researching at present. A
working module based on random block length is designed taking the advantage of
Rijndael that it has a obvious agility in the length of block and cipher key, and this
module can strengthen the safty of Rijndael algorithm. that completely crack this
module is a imporsable case at the applicant level of present is proved. This module is
also able to be composed with CFB, CBC, and other available modules, strengthening
safty and remaining aviable merits. And, other characters of this module are analysed
in this paper, based this, some advices of applying it are proprsed.

Keywords: symmetrical cryptography, Rijndael, finite field, working module

目   录
中文摘要  I
英文摘要  II
前    言  1
1 对称密钥加密算法简介  4
1.1对称密码算法体制  4
1.2 密码工作模式  4
1.2.1 电子密码本模式  4
1.2.2 密码反馈模式  4
1.2.3 密码分组链接模式  5
1.2.4 输出反馈模式  6
1.3 本章小结  7
2 对称算法的攻击  8
2.1 线性密码分析  8
2.2 差分密码分析  11
2.3 能量分析  12
2.3.1 能量分析的原理  12
2.3.2 差分能量分析  12
2.4 本章小结  14 
3 Rijndael 算法  15
3.1 Rijndael 算法简介  15
3.2 Rijndael 算法的数学基础  19
3.2.1 加法运算  20
3.2.2 乘法运算  20
3.3 Rijndael 的加解密流程  20
3.4 Rijndael 中的四种变换及设计原则  21
3.4.1SubBytes   22
3.4.2ShiftRows  23
3.4.3MixColumns  23
3.4.4 密钥加法  23
3.4.5 密钥的编排  24
3.5 本章小结  26
4 AES 算法在长字处理平台上的改进实现  27
4.1 实现的过程  27
4.2 上述过程的优化  28
4.2.1 轮变换的进一步改进  28
4.2.2 S 盒的生成  29
4.3 本章小结  30
5 一种 Rijndael 算法工作模式的研究   31
5.1 扩展工作模式简  31
5.2 RBC 模式与其它工作模式的组合  33
5.2.1 RBC-CFB 混合模式  33
5.2.2 RBC-CBC 混合模式  35
5.2.3 RBC-OFB 混合模式  36
5.3 性能分析  37
5.3.1 安全性  37
5.3.2 效率  37
5.3.3 其它特性  38
5.4 本章小结  38
6 全文总结  39
致谢  40
参考文献  41
附录  42