Go-AES算法详解与代码

水深无声 2022-10-05 04:48 154阅读 0赞

**目录**

AES

发展史

概述

轮函数F

字节代换

行移位

列混淆

轮密钥加

密钥编排

AES和DES的不同之处

分组模式CTR

AES的Go实现

aes包

cipher包

加密/解密

参考

--------------------

本篇介绍分组密码AES的相关内容及Go实现，分组密码算法设计思想及其他分组模式可查看文章：[Go-Des和3Des算法详解与代码][Go-Des_3Des]

# AES #

## 发展史 ##

RSA公司举办过破译DES的比赛（DES Challenge)：

*  1997年的DES ChallengeI中用了**96天**；
 *  1998年的DES ChallengeII-1中用了**41天**；
 *  1998年的DES ChallengeII-2中用了**56小时**；
 *  1999年的DES ChallengeII中用了**22小时15分钟**。

DES被破解，3DES过度后终于迎来了AES。

*  1997年4月15日，美国ANSI向全球发起征集AES(advanced encryptionstandard)的活动，并为此成立了AES工作小组。
 *  1997年9月12日，美国联邦登记处公布了正式征集AES候选算法的通告。对AES的基本要求是：比三重DES快、至少与三重DES一样安全、数据分组长度为128比特、密钥长度为128/192/256比特。
 *  1998年8月12日，在首届AES候选会议（first AES candidate conference)上公布了AES的15个候选算法，任由全世界各机构和个人攻击和评论。
 *  1999年3月，在第2届AES候选会议（second AES candidate conference)上经过对全球各密码机构和个人对候选算法分析结果的讨论，从15个候选算法中选出了5个。分别是RC6、Rijndael、SERPENT、Twofish和MARS。
 *  2000年4月13日至14日，召开了第3届AES候选会议（third AES candidateconference)，继续对最后5个候选算法进行讨论。
 *  2000年10月2日，NIST宣布**Rijndael（**Rijndael由比利时的Joan Daemen和Vincent Rijmen设计。算法的原型是 Square算法**）**作为新的AES。经过3年多的公开讨论，Riindael终于脱颖而出。

## 概述 ##

*   分组加密算法：明文和密文分组可变长度。
 *  SPN（S变换和P变换组成的变换网络）结构：轮函数包含代换层一置换层一密钥混合层。

## 轮函数F ##

### 字节代换 ###

列的每个元素作为输入用来指定S盒的地址：**前4位**指定S盒的**行**，**后4位**指定S盒的**列**。由行和列所确定的S盒位置的元素**取代**了明文矩阵中相应位置的元素。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xhZHlfa2lsbGVyOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

S盒如下(反向使用S^-1盒即可)

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xhZHlfa2lsbGVyOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

明文：10000111，前4位为8，后四位为7，替换为S(8,7)=17=00010001

### 行移位 ###

行移位操作是作用于S盒的输出的，其中，列的4个行 **螺旋** 地左移，即**第0行左移0字节**，**第1行左移1字节**，**第2行左移2字节**，**第3行左移3字节**，如下图所示。从该图中可以看出， 这使得列完全进行了重排，即在移位后的每列中，都包含有 未移位前每个列的一个字节。接下来就可以进行列内混合了。 (逆向行移位变换将中间态数据的后三行执行相反方向的移位操作)

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xhZHlfa2lsbGVyOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

### 列混淆 ###

在列混淆变换中，将**行移位后的状态阵列**的每个列视为GF(![2^8][2_8])上的多项式，再与一个固定的多项式c(x)进行模![x^4+1][x_4_1]乘法，要求c(x) 是模![x^4+1][x_4_1]可逆的多项式。 c(x)=’03’![x^3][x_3]\+’01’![x^2][x_2]\+’01’x+’02’。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xhZHlfa2lsbGVyOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

### 轮密钥加 ###

## 密钥编排 ##

密钥编排指从**种子密钥**得到**轮密钥**的过程，AES的密钥编排由**密钥扩展**和**轮密钥选取**两部分组成，其基本原则如下：

1.  轮密钥的**总比特数**等于**轮数加1再乘以分组长度**；如128比特的明文经过10轮的加密，则总共需 要（10+1）\*128=1408比特的密钥.。
2.  种子密钥被扩展成为**扩展密钥**；
3.  **轮密钥**从扩展密钥中取，其中第1轮轮密钥取扩展密钥的前![N\_b][N_b]个字，第2轮轮密钥取接下来的![N\_b][N_b]个字，依次类推。

**密钥扩展**

扩展密钥是以**4字节**字为元素的**一维阵列**，表示为W\[![N\_b][N_b]\* (Nr +1)\]，其中前![N\_k][N_k]个字取为种子密钥， 以后每个字按递归方式定义。扩展算法根据![N\_k][N_k]≤6和![N\_k][N_k]>6有所不同。

**轮密钥选取**

轮密钥i（即第i个轮密钥）由轮密钥缓冲字 W\[![N\_b][N_b]\* i\]到W\[![N\_b][N_b]\*(i+1)\]给出

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xhZHlfa2lsbGVyOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

## AES和DES的不同之处 ##

*  AES的密钥长度(128位、192位、256位)是可变的，而DES的 密钥长度固定为56位。
 *  DES是面向比特的运算，AES是面向字节的运算。
 *  AES的加密运算和解密运算不一致，因而加密器不能同时 用作解密器，而DES的加密器可用作解密器，只是子密钥 的顺序不同。

# 分组模式CTR #

加密不同的明文分组所用的计数器值必须**不同**(模![2^d][2_d]运 算，其中d是分组长度)。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xhZHlfa2lsbGVyOQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

# AES的Go实现 #

## aes包 ##

> func NewCipher(key \[\]byte) (cipher.Block, error)

创建一个cipher.Block接口。参数key为密钥，长度只能是16、24、32字节，用以选择AES-128、AES-192、AES-256。

## cipher包 ##

> func NewCTR(block Block, iv \[\]byte) Stream

返回一个计数器模式的、底层采用block生成key流的Stream接口，初始向量iv的长度必须等于block的块尺寸。

stream接口的方法

> XORKeyStream(dst, src \[\]byte)

从加密器的key流和src中依次取出字节二者xor后写入dst，src和dst**可指向同一内存地址**

## **加密/解密** ##

*  使用aes.NewCipher获取块
 *  使用cipher.CTR转为CTR模式流
 *  使用stearm.XORKeyStream进行加解密

// plainText：明文
    // iv： 初始化向量
    // key：密钥
    // 返回密文/明文，以及错误
    func AesEncrypt(plainText, iv,key []byte) ([]byte,error) {
    	block, err :=aes.NewCipher(key)
    	if err != nil{
    		_, file, line, _ := runtime.Caller(0)
    		return nil,util.Error(file,line+1,errors.AesKeyError)
    	}
    	if len(iv) != block.BlockSize(){
    		_, file, line, _ := runtime.Caller(0)
    		return nil,util.Error(file,line+1,errors.AesIvError)
    	}
    	// create a CTR interface
    	stream := cipher.NewCTR(block,iv)
    	cipherText := make([]byte,len(plainText))
    	// encrypt or decrypt
    	stream.XORKeyStream(cipherText,plainText)
    	return cipherText,nil
    }

代码我放到了gitee上：[https://gitee.com/frankyu365/gocrypto][https_gitee.com_frankyu365_gocrypto]

您可以查看仓库Readme文档或[Go-包管理(管理工具对比及go mod的使用)][Go-_go mod]来进行安装

测试代码

iv := []byte("12345678qwertyui")
    	key:= []byte("12345678abcdefgh09876543alnkdjfh")
    	plainText := []byte("Hi,I'm lady_killer9")
    	cipherText,_ := aes.AesEncrypt(plainText,iv,key)
    	fmt.Printf("加密后:%s\n",cipherText)
    	decryptText,_ := aes.AesDecrypt(cipherText,iv,key)
    	fmt.Printf("解密后:%s\n",decryptText)

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# 参考 #

《现代密码学教程 谷利泽 杨义先等》

[AES的发展史][AES]

[Go标准库-crypto/aes][Go_-crypto_aes]

[Go标准库-crypto/cipher][Go_-crypto_cipher]

更多Go相关内容：[Go-Golang学习总结笔记][Go-Golang]

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[Go-Des_3Des]: https://blog.csdn.net/lady_killer9/article/details/117534938
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[https_gitee.com_frankyu365_gocrypto]: https://gitee.com/frankyu365/gocrypto
[Go-_go mod]: https://blog.csdn.net/lady_killer9/article/details/116128497
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[AES]: https://csrc.nist.gov/projects/cryptographic-standards-and-guidelines/archived-crypto-projects/aes-development
[Go_-crypto_aes]: https://studygolang.com/static/pkgdoc/pkg/crypto_aes.htm
[Go_-crypto_cipher]: https://studygolang.com/static/pkgdoc/pkg/crypto_cipher.htm
[Go-Golang]: https://blog.csdn.net/lady_killer9/article/details/115491317