本实验代码附在文末
实验目的与要求：
- 理解对称密码体制和分组密码算法的基本思想
- 理解分组密码AES的基本原理
- 实现AES的加解密过程，可以对各种文件（word、txt、mp3、jpg）进行加解密
- 实现分组密码的密码分组链接工作模式与计算器工作模式
实验环境：
Microsoft Visual Studio 2022等
实验原理：
简单描述AES的实现原理，给出流程图
AES，全称为高级加密标准，是一种采用对称密钥的加密技术，它被设计来取代较旧的DES加密算法。AES加密过程基于将明文数据分成128位的区块，并使用相同的密钥进行加密。该过程包括多个步骤，旨在确保加密结果的安全性和难以逆向破解。
AES的加密过程涉及以下四个关键操作：
- 字节替代（SubBytes）：这是一个非线性过程，它通过一个预定的查找表将每个字节替换为另一个，从而在明文和密文之间引入非线性混淆。
- 行移位（ShiftRows）：此操作通过循环移动每一行的字节来重新排列数据，这有助于打乱明文的结构，增加密文的复杂性。
- 列混淆（MixColumns）：通过将每一列视为一个多项式，并与一个预定义的多项式进行模2乘法，进一步混淆数据，这增强了密文的随机性。
- 轮密钥加（AddRoundKey）：在这一步骤中，当前轮的密钥与数据进行异或操作，这是确保加密过程安全性的核心机制。轮密钥是从主密钥通过一系列复杂的变换衍生出来的。
除了上述操作，AES中的密钥扩展机制同样至关重要。它负责从原始密钥生成多个轮密钥，确保每一轮加密都有不同的密钥参与，这通过一系列操作实现，如Rcon、SubWord和RotWord等。
AES的安全性源自其复杂的替代和置换网络，以及密钥扩展的不可预测性。没有正确的密钥，攻击者极难解密AES加密的数据，因为这通常需要尝试所有可能的密钥组合，这是一个计算上非常密集且耗时的过程。AES算法以其高度的安全性和效率，已成为当今世界最广泛使用的加密标准之一。
图 1 AES算法流程图
实验内容：
- 熟悉AES的加解密过程
- 采用自己熟悉的编程语言实现AES加密算法
- 将编写的AES用于加密各种文件（word、txt、mp3、jpg），并能成功解密
- 实现分组密码的密码分组链接工作模式与计算器工作模式
实验步骤与结果：
- AES加密算法的实现及介绍
首先定义在算法过程中需要用到的表或者常量，包括S盒、逆S盒、轮常数表以及有限域GF（28）上的乘法表。
接着是定义各个加密的变换函数，声明在头文件，如图1-1所示。加密的变换函数包括：
- SubBytes：S盒变换
- ShiftRows：行变换
- GFMul：有限域上的乘法
- MixColumns：列变换
- AddRoundKey：轮密钥加变换即将每一列与扩展密钥进行异或
图 1- 1 加密的变换函数声明
然后定义各个解密函数，声明在头文件，如图1-2所示，解密函数包括：
- InvSubBytes：逆S盒变换
- InvShiftRows：逆行变换
- InvMixColumns：逆列变换
图 1- 2 解密的变换函数声明
接着是密钥扩展部分，声明在头文件，如图1-3所示，密钥扩展函数包括：
- Word：将四个字节转换为一组
- RotWord：将字节循环左移
- SubWord：对一组字节中每一各字节进行S盒变换
- KeyExpansion：密钥扩展
图 1- 3 密钥扩展函数声明
最后加密函数和解密函数的定义和声明，如图1-4所示。
图 1- 4 加密函数（左）解密函数（右）定义
编写主函数，使用测试加密效果，输出结果正确，如图1-5所示。
图 1- 5 测试AES加解密效果
- AES用于加密各种文件（word、txt、mp3、jpg）的截图
编写主函数，使其读入各种文件进行加密后将密文存入“gb.txt”中，再读取“gb.txt”进行解密，将解密结果存入out文件。若out文件与原文件相同说明加密算法无误。编写辅助函数进行字节操作，如图2-1所示。
图 2- 1 字节操作辅助函数
JPG：
图 2- 2 JPG文件加解密测试结果
密文示例如图2-3所示（UTF-8）：
图 2- 3 密文展示
TXT：
图 2- 4 TXT文件加解密测试结果
Word：
图 2- 5 Word文件加解密测试结果
MP3：
图 2- 6 MP3文件加解密测试结果
- 各种分组密码多种工作模式关键代码切图及简单介绍
分组密码是一种将明文按照一定长度进行分组后，通过密钥进行加密的加密方式。而分组密码的工作模式则是指在加密过程中，每一个明文分组与密钥的组合方式。以下是五种常见的分组密码工作模式：
- 电子密码本模式（Electronic Codebook，ECB） 该模式是最简单的分组密码工作模式，将明文按照固定长度进行分组，每个明文分组与相应的密钥一一对应进行加密。但是，由于相同的明文分组加密后的密文是固定的，因此该模式存在重放攻击的风险。适用于数据较少的情形，加密前需要把明文数据填充到块大小的整倍数。该模式加解密图解如图3-1所示。
图 3- 1 ECB模式
- CBC(Cipher Block Chaining, 密码块链)模式中每一个分组要先和前一个分组加密后的数据进行XOR异或操作，然后再进行加密。
这样每个密文块依赖该块之前的所有明文块，为了保持每条消息都具有唯一性，第一个数据块进行加密之前需要用初始化向量IV进行异或操作。
CBC模式是一种最常用的加密模式，它主要缺点是加密是连续的，不能并行处理，并且与ECB一样消息块必须填充到块大小的整倍数。该模式加解密图解如图3-2所示。
图 3- 2 CBC模式
- CFB(Cipher Feedback, 密码反馈)模式和CBC模式比较相似，前一个分组的密文加密后和当前分组的明文XOR异或操作生成当前分组的密文。CFB模式的解密和CBC模式的加密在流程上其实是非常相似的。该模式加解密图解如图3-3所示。
图 3- 3 CFB 模式
- OFB(Output Feedback, 输出反馈)模式将分组密码转换为同步流密码，也就是说可以根据明文长度先独立生成相应长度的流密码。通过流程图可以看出，OFB和CFB非常相似，CFB是前一个分组的密文加密后XOR当前分组明文，OFB是前一个分组与前一个明文块异或之前的流密码XOR当前分组明文。由于异或操作的对称性，OFB模式的解密和加密完全一样的流程。该模式加解密图解如图3-4所示。
图 3- 4 OFB模式
- CTR(Counter, 计数器)模式与OFB模式一样，计数器模式将分组密码转换为流密码。它通过加密“计数器”的连续值来产生下一个密钥流块。该模式流程如图3-5所示。
图 3- 5 CTR模式
实验结论：
在本次实验中，我深入探索了AES加密算法的代码实现，并通过一系列测试，评估了它在加密多种文件类型时的性能表现。AES作为一种采用对称密钥的加密技术，通过一系列复杂的迭代过程，包括字节替代、行移位、列混淆和轮密钥加等步骤，极大地增强了数据的安全性。
我对分组密码的五种工作模式进行了详尽的比较分析，关注了它们在安全性、执行时间和可扩展性三个关键维度上的表现：
- 安全性对比：我发现ECB模式由于缺少初始向量（IV），导致其安全性最低，容易受到模式分析攻击。相比之下，CBC、CFB、OFB和CTR模式都引入了IV，从而提高了加密的随机性和安全性。特别是CTR模式，它不仅增强了安全性，还允许并行处理，提升了加密效率。
- 运行时间分析：实验结果显示，在处理不同文件加密时，CTR模式展现出了最快的加密速度，而ECB模式则相对较慢。这与预期相符，因为CTR模式支持并行处理，而ECB模式则需按顺序逐块加密。
- 可扩展性评估：在可扩展性方面，CTR模式以其对数据块长度的灵活性和预先计算能力，表现出了最佳的扩展潜力。与之相比，ECB、CBC、CFB和OFB模式则要求数据块具有固定长度，并且在处理时依赖于前序块或输出。
通过本次实验，我对AES算法及其不同工作模式有了更深刻的理解。我坚信，凭借其高效率和强大的安全性，AES算法在保护信息安全方面发挥着至关重要的作用，并将继续在该领域内得到广泛应用。
C++代码：
#include <iostream>
#include <bitset>
#include <string>
#include <ctime>
using namespace std;
typedef bitset<8> byte;
typedef bitset<32> word;
const int Nr = 10; // AES-128需要 10 轮加密
const int Nk = 4; // Nk 表示输入密钥的 word 个数
byte S_Box[16][16] = {
{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}
};
byte Inv_S_Box[16][16] = {
{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}
};
// 轮常数，密钥扩展中用到。（AES-128只需要10轮）
word Rcon[10] = { 0x01000000, 0x02000000, 0x04000000, 0x08000000, 0x10000000,
0x20000000, 0x40000000, 0x80000000, 0x1b000000, 0x36000000 };
byte Mul_02[256] = {
0x00, 0x02, 0x04, 0x06, 0x08, 0x0a, 0x0c, 0x0e, 0x10, 0x12, 0x14, 0x16, 0x18, 0x1a, 0x1c, 0x1e,
0x20, 0x22, 0x24, 0x26, 0x28, 0x2a, 0x2c, 0x2e, 0x30, 0x32, 0x34, 0x36, 0x38, 0x3a, 0x3c, 0x3e,
0x40, 0x42, 0x44, 0x46, 0x48, 0x4a, 0x4c, 0x4e, 0x50, 0x52, 0x54, 0x56, 0x58, 0x5a, 0x5c, 0x5e,
0x60, 0x62, 0x64, 0x66, 0x68, 0x6a, 0x6c, 0x6e, 0x70, 0x72, 0x74, 0x76, 0x78, 0x7a, 0x7c, 0x7e,
0x80, 0x82, 0x84, 0x86, 0x88, 0x8a, 0x8c, 0x8e, 0x90, 0x92, 0x94, 0x96, 0x98, 0x9a, 0x9c, 0x9e,
0xa0, 0xa2, 0xa4, 0xa6, 0xa8, 0xaa, 0xac, 0xae, 0xb0, 0xb2, 0xb4, 0xb6, 0xb8, 0xba, 0xbc, 0xbe,
0xc0, 0xc2, 0xc4, 0xc6, 0xc8, 0xca, 0xcc, 0xce, 0xd0, 0xd2, 0xd4, 0xd6, 0xd8, 0xda, 0xdc, 0xde,
0xe0, 0xe2, 0xe4, 0xe6, 0xe8, 0xea, 0xec, 0xee, 0xf0, 0xf2, 0xf4, 0xf6, 0xf8, 0xfa, 0xfc, 0xfe,
0x1b, 0x19, 0x1f, 0x1d, 0x13, 0x11, 0x17, 0x15, 0x0b, 0x09, 0x0f, 0x0d, 0x03, 0x01, 0x07, 0x05,
0x3b, 0x39, 0x3f, 0x3d, 0x33, 0x31, 0x37, 0x35, 0x2b, 0x29, 0x2f, 0x2d, 0x23, 0x21, 0x27, 0x25,
0x5b, 0x59, 0x5f, 0x5d, 0x53, 0x51, 0x57, 0x55, 0x4b, 0x49, 0x4f, 0x4d, 0x43, 0x41, 0x47, 0x45,
0x7b, 0x79, 0x7f, 0x7d, 0x73, 0x71, 0x77, 0x75, 0x6b, 0x69, 0x6f, 0x6d, 0x63, 0x61, 0x67, 0x65,
0x9b, 0x99, 0x9f, 0x9d, 0x93, 0x91, 0x97, 0x95, 0x8b, 0x89, 0x8f, 0x8d, 0x83, 0x81, 0x87, 0x85,
0xbb, 0xb9, 0xbf, 0xbd, 0xb3, 0xb1, 0xb7, 0xb5, 0xab, 0xa9, 0xaf, 0xad, 0xa3, 0xa1, 0xa7, 0xa5,
0xdb, 0xd9, 0xdf, 0xdd, 0xd3, 0xd1, 0xd7, 0xd5, 0xcb, 0xc9, 0xcf, 0xcd, 0xc3, 0xc1, 0xc7, 0xc5,
0xfb, 0xf9, 0xff, 0xfd, 0xf3, 0xf1, 0xf7, 0xf5, 0xeb, 0xe9, 0xef, 0xed, 0xe3, 0xe1, 0xe7, 0xe5
};
byte Mul_03[256] = {
0x00, 0x03, 0x06, 0x05, 0x0c, 0x0f, 0x0a, 0x09, 0x18, 0x1b, 0x1e, 0x1d, 0x14, 0x17, 0x12, 0x11,
0x30, 0x33, 0x36, 0x35, 0x3c, 0x3f, 0x3a, 0x39, 0x28, 0x2b, 0x2e, 0x2d, 0x24, 0x27, 0x22, 0x21,
0x60, 0x63, 0x66, 0x65, 0x6c, 0x6f, 0x6a, 0x69, 0x78, 0x7b, 0x7e, 0x7d, 0x74, 0x77, 0x72, 0x71,
0x50, 0x53, 0x56, 0x55, 0x5c, 0x5f, 0x5a, 0x59, 0x48, 0x4b, 0x4e, 0x4d, 0x44, 0x47, 0x42, 0x41,
0xc0, 0xc3, 0xc6, 0xc5, 0xcc, 0xcf, 0xca, 0xc9, 0xd8, 0xdb, 0xde, 0xdd, 0xd4, 0xd7, 0xd2, 0xd1,
0xf0, 0xf3, 0xf6, 0xf5, 0xfc, 0xff, 0xfa, 0xf9, 0xe8, 0xeb, 0xee, 0xed, 0xe4, 0xe7, 0xe2, 0xe1,
0xa0, 0xa3, 0xa6, 0xa5, 0xac, 0xaf, 0xaa, 0xa9, 0xb8, 0xbb, 0xbe, 0xbd, 0xb4, 0xb7, 0xb2, 0xb1,
0x90, 0x93, 0x96, 0x95, 0x9c, 0x9f, 0x9a, 0x99, 0x88, 0x8b, 0x8e, 0x8d, 0x84, 0x87, 0x82, 0x81,
0x9b, 0x98, 0x9d, 0x9e, 0x97, 0x94, 0x91, 0x92, 0x83, 0x80, 0x85, 0x86, 0x8f, 0x8c, 0x89, 0x8a,
0xab, 0xa8, 0xad, 0xae, 0xa7, 0xa4, 0xa1, 0xa2, 0xb3, 0xb0, 0xb5, 0xb6, 0xbf, 0xbc, 0xb9, 0xba,
0xfb, 0xf8, 0xfd, 0xfe, 0xf7, 0xf4, 0xf1, 0xf2, 0xe3, 0xe0, 0xe5, 0xe6, 0xef, 0xec, 0xe9, 0xea,
0xcb, 0xc8, 0xcd, 0xce, 0xc7, 0xc4, 0xc1, 0xc2, 0xd3, 0xd0, 0xd5, 0xd6, 0xdf, 0xdc, 0xd9, 0xda,
0x5b, 0x58, 0x5d, 0x5e, 0x57, 0x54, 0x51, 0x52, 0x43, 0x40, 0x45, 0x46, 0x4f, 0x4c, 0x49, 0x4a,
0x6b, 0x68, 0x6d, 0x6e, 0x67, 0x64, 0x61, 0x62, 0x73, 0x70, 0x75, 0x76, 0x7f, 0x7c, 0x79, 0x7a,
0x3b, 0x38, 0x3d, 0x3e, 0x37, 0x34, 0x31, 0x32, 0x23, 0x20, 0x25, 0x26, 0x2f, 0x2c, 0x29, 0x2a,
0x0b, 0x08, 0x0d, 0x0e, 0x07, 0x04, 0x01, 0x02, 0x13, 0x10, 0x15, 0x16, 0x1f, 0x1c, 0x19, 0x1a
};
byte Mul_09[256] = {
0x00, 0x09, 0x12, 0x1b, 0x24, 0x2d, 0x36, 0x3f, 0x48, 0x41, 0x5a, 0x53, 0x6c, 0x65, 0x7e, 0x77,
0x90, 0x99, 0x82, 0x8b, 0xb4, 0xbd, 0xa6, 0xaf, 0xd8, 0xd1, 0xca, 0xc3, 0xfc, 0xf5, 0xee, 0xe7,
0x3b, 0x32, 0x29, 0x20, 0x1f, 0x16, 0x0d, 0x04, 0x73, 0x7a, 0x61, 0x68, 0x57, 0x5e, 0x45, 0x4c,
0xab, 0xa2, 0xb9, 0xb0, 0x8f, 0x86, 0x9d, 0x94, 0xe3, 0xea, 0xf1, 0xf8, 0xc7, 0xce, 0xd5, 0xdc,
0x76, 0x7f, 0x64, 0x6d, 0x52, 0x5b, 0x40, 0x49, 0x3e, 0x37, 0x2c, 0x25, 0x1a, 0x13, 0x08, 0x01,
0xe6, 0xef, 0xf4, 0xfd, 0xc2, 0xcb, 0xd0, 0xd9, 0xae, 0xa7, 0xbc, 0xb5, 0x8a, 0x83, 0x98, 0x91,
0x4d, 0x44, 0x5f, 0x56, 0x69, 0x60, 0x7b, 0x72, 0x05, 0x0c, 0x17, 0x1e, 0x21, 0x28, 0x33, 0x3a,
0xdd, 0xd4, 0xcf, 0xc6, 0xf9, 0xf0, 0xeb, 0xe2, 0x95, 0x9c, 0x87, 0x8e, 0xb1, 0xb8, 0xa3, 0xaa,
0xec, 0xe5, 0xfe, 0xf7, 0xc8, 0xc1, 0xda, 0xd3, 0xa4, 0xad, 0xb6, 0xbf, 0x80, 0x89, 0x92, 0x9b,
0x7c, 0x75, 0x6e, 0x67, 0x58, 0x51, 0x4a, 0x43, 0x34, 0x3d, 0x26, 0x2f, 0x10, 0x19, 0x02, 0x0b,
0xd7, 0xde, 0xc5, 0xcc, 0xf3, 0xfa, 0xe1, 0xe8, 0x9f, 0x96, 0x8d, 0x84, 0xbb, 0xb2, 0xa9, 0xa0,
0x47, 0x4e, 0x55, 0x5c, 0x63, 0x6a, 0x71, 0x78, 0x0f, 0x06, 0x1d, 0x14, 0x2b, 0x22, 0x39, 0x30,
0x9a, 0x93, 0x88, 0x81, 0xbe, 0xb7, 0xac, 0xa5, 0xd2, 0xdb, 0xc0, 0xc9, 0xf6, 0xff, 0xe4, 0xed,
0x0a, 0x03, 0x18, 0x11, 0x2e, 0x27, 0x3c, 0x35, 0x42, 0x4b, 0x50, 0x59, 0x66, 0x6f, 0x74, 0x7d,
0xa1, 0xa8, 0xb3, 0xba, 0x85, 0x8c, 0x97, 0x9e, 0xe9, 0xe0, 0xfb, 0xf2, 0xcd, 0xc4, 0xdf, 0xd6,
0x31, 0x38, 0x23, 0x2a, 0x15, 0x1c, 0x07, 0x0e, 0x79, 0x70, 0x6b, 0x62, 0x5d, 0x54, 0x4f, 0x46
};
byte Mul_0b[256] = {
0x00, 0x0b, 0x16, 0x1d, 0x2c, 0x27, 0x3a, 0x31, 0x58, 0x53, 0x4e, 0x45, 0x74, 0x7f, 0x62, 0x69,
0xb0, 0xbb, 0xa6, 0xad, 0x9c, 0x97, 0x8a, 0x81, 0xe8, 0xe3, 0xfe, 0xf5, 0xc4, 0xcf, 0xd2, 0xd9,
0x7b, 0x70, 0x6d, 0x66, 0x57, 0x5c, 0x41, 0x4a, 0x23, 0x28, 0x35, 0x3e, 0x0f, 0x04, 0x19, 0x12,
0xcb, 0xc0, 0xdd, 0xd6, 0xe7, 0xec, 0xf1, 0xfa, 0x93, 0x98, 0x85, 0x8e, 0xbf, 0xb4, 0xa9, 0xa2,
0xf6, 0xfd, 0xe0, 0xeb, 0xda, 0xd1, 0xcc, 0xc7, 0xae, 0xa5, 0xb8, 0xb3, 0x82, 0x89, 0x94, 0x9f,
0x46, 0x4d, 0x50, 0x5b, 0x6a, 0x61, 0x7c, 0x77, 0x1e, 0x15, 0x08, 0x03, 0x32, 0x39, 0x24, 0x2f,
0x8d, 0x86, 0x9b, 0x90, 0xa1, 0xaa, 0xb7, 0xbc, 0xd5, 0xde, 0xc3, 0xc8, 0xf9, 0xf2, 0xef, 0xe4,
0x3d, 0x36, 0x2b, 0x20, 0x11, 0x1a, 0x07, 0x0c, 0x65, 0x6e, 0x73, 0x78, 0x49, 0x42, 0x5f, 0x54,
0xf7, 0xfc, 0xe1, 0xea, 0xdb, 0xd0, 0xcd, 0xc6, 0xaf, 0xa4, 0xb9, 0xb2, 0x83, 0x88, 0x95, 0x9e,
0x47, 0x4c, 0x51, 0x5a, 0x6b, 0x60, 0x7d, 0x76, 0x1f, 0x14, 0x09, 0x02, 0x33, 0x38, 0x25, 0x2e,
0x8c, 0x87, 0x9a, 0x91, 0xa0, 0xab, 0xb6, 0xbd, 0xd4, 0xdf, 0xc2, 0xc9, 0xf8, 0xf3, 0xee, 0xe5,
0x3c, 0x37, 0x2a, 0x21, 0x10, 0x1b, 0x06, 0x0d, 0x64, 0x6f, 0x72, 0x79, 0x48, 0x43, 0x5e, 0x55,
0x01, 0x0a, 0x17, 0x1c, 0x2d, 0x26, 0x3b, 0x30, 0x59, 0x52, 0x4f, 0x44, 0x75, 0x7e, 0x63, 0x68,
0xb1, 0xba, 0xa7, 0xac, 0x9d, 0x96, 0x8b, 0x80, 0xe9, 0xe2, 0xff, 0xf4, 0xc5, 0xce, 0xd3, 0xd8,
0x7a, 0x71, 0x6c, 0x67, 0x56, 0x5d, 0x40, 0x4b, 0x22, 0x29, 0x34, 0x3f, 0x0e, 0x05, 0x18, 0x13,
0xca, 0xc1, 0xdc, 0xd7, 0xe6, 0xed, 0xf0, 0xfb, 0x92, 0x99, 0x84, 0x8f, 0xbe, 0xb5, 0xa8, 0xa3
};
byte Mul_0d[256] = {
0x00, 0x0d, 0x1a, 0x17, 0x34, 0x39, 0x2e, 0x23, 0x68, 0x65, 0x72, 0x7f, 0x5c, 0x51, 0x46, 0x4b,
0xd0, 0xdd, 0xca, 0xc7, 0xe4, 0xe9, 0xfe, 0xf3, 0xb8, 0xb5, 0xa2, 0xaf, 0x8c, 0x81, 0x96, 0x9b,
0xbb, 0xb6, 0xa1, 0xac, 0x8f, 0x82, 0x95, 0x98, 0xd3, 0xde, 0xc9, 0xc4, 0xe7, 0xea, 0xfd, 0xf0,
0x6b, 0x66, 0x71, 0x7c, 0x5f, 0x52, 0x45, 0x48, 0x03, 0x0e, 0x19, 0x14, 0x37, 0x3a, 0x2d, 0x20,
0x6d, 0x60, 0x77, 0x7a, 0x59, 0x54, 0x43, 0x4e, 0x05, 0x08, 0x1f, 0x12, 0x31, 0x3c, 0x2b, 0x26,
0xbd, 0xb0, 0xa7, 0xaa, 0x89, 0x84, 0x93, 0x9e, 0xd5, 0xd8, 0xcf, 0xc2, 0xe1, 0xec, 0xfb, 0xf6,
0xd6, 0xdb, 0xcc, 0xc1, 0xe2, 0xef, 0xf8, 0xf5, 0xbe, 0xb3, 0xa4, 0xa9, 0x8a, 0x87, 0x90, 0x9d,
0x06, 0x0b, 0x1c, 0x11, 0x32, 0x3f, 0x28, 0x25, 0x6e, 0x63, 0x74, 0x79, 0x5a, 0x57, 0x40, 0x4d,
0xda, 0xd7, 0xc0, 0xcd, 0xee, 0xe3, 0xf4, 0xf9, 0xb2, 0xbf, 0xa8, 0xa5, 0x86, 0x8b, 0x9c, 0x91,
0x0a, 0x07, 0x10, 0x1d, 0x3e, 0x33, 0x24, 0x29, 0x62, 0x6f, 0x78, 0x75, 0x56, 0x5b, 0x4c, 0x41,
0x61, 0x6c, 0x7b, 0x76, 0x55, 0x58, 0x4f, 0x42, 0x09, 0x04, 0x13, 0x1e, 0x3d, 0x30, 0x27, 0x2a,
0xb1, 0xbc, 0xab, 0xa6, 0x85, 0x88, 0x9f, 0x92, 0xd9, 0xd4, 0xc3, 0xce, 0xed, 0xe0, 0xf7, 0xfa,
0xb7, 0xba, 0xad, 0xa0, 0x83, 0x8e, 0x99, 0x94, 0xdf, 0xd2, 0xc5, 0xc8, 0xeb, 0xe6, 0xf1, 0xfc,
0x67, 0x6a, 0x7d, 0x70, 0x53, 0x5e, 0x49, 0x44, 0x0f, 0x02, 0x15, 0x18, 0x3b, 0x36, 0x21, 0x2c,
0x0c, 0x01, 0x16, 0x1b, 0x38, 0x35, 0x22, 0x2f, 0x64, 0x69, 0x7e, 0x73, 0x50, 0x5d, 0x4a, 0x47,
0xdc, 0xd1, 0xc6, 0xcb, 0xe8, 0xe5, 0xf2, 0xff, 0xb4, 0xb9, 0xae, 0xa3, 0x80, 0x8d, 0x9a, 0x97
};
byte Mul_0e[256] = {
0x00, 0x0e, 0x1c, 0x12, 0x38, 0x36, 0x24, 0x2a, 0x70, 0x7e, 0x6c, 0x62, 0x48, 0x46, 0x54, 0x5a,
0xe0, 0xee, 0xfc, 0xf2, 0xd8, 0xd6, 0xc4, 0xca, 0x90, 0x9e, 0x8c, 0x82, 0xa8, 0xa6, 0xb4, 0xba,
0xdb, 0xd5, 0xc7, 0xc9, 0xe3, 0xed, 0xff, 0xf1, 0xab, 0xa5, 0xb7, 0xb9, 0x93, 0x9d, 0x8f, 0x81,
0x3b, 0x35, 0x27, 0x29, 0x03, 0x0d, 0x1f, 0x11, 0x4b, 0x45, 0x57, 0x59, 0x73, 0x7d, 0x6f, 0x61,
0xad, 0xa3, 0xb1, 0xbf, 0x95, 0x9b, 0x89, 0x87, 0xdd, 0xd3, 0xc1, 0xcf, 0xe5, 0xeb, 0xf9, 0xf7,
0x4d, 0x43, 0x51, 0x5f, 0x75, 0x7b, 0x69, 0x67, 0x3d, 0x33, 0x21, 0x2f, 0x05, 0x0b, 0x19, 0x17,
0x76, 0x78, 0x6a, 0x64, 0x4e, 0x40, 0x52, 0x5c, 0x06, 0x08, 0x1a, 0x14, 0x3e, 0x30, 0x22, 0x2c,
0x96, 0x98, 0x8a, 0x84, 0xae, 0xa0, 0xb2, 0xbc, 0xe6, 0xe8, 0xfa, 0xf4, 0xde, 0xd0, 0xc2, 0xcc,
0x41, 0x4f, 0x5d, 0x53, 0x79, 0x77, 0x65, 0x6b, 0x31, 0x3f, 0x2d, 0x23, 0x09, 0x07, 0x15, 0x1b,
0xa1, 0xaf, 0xbd, 0xb3, 0x99, 0x97, 0x85, 0x8b, 0xd1, 0xdf, 0xcd, 0xc3, 0xe9, 0xe7, 0xf5, 0xfb,
0x9a, 0x94, 0x86, 0x88, 0xa2, 0xac, 0xbe, 0xb0, 0xea, 0xe4, 0xf6, 0xf8, 0xd2, 0xdc, 0xce, 0xc0,
0x7a, 0x74, 0x66, 0x68, 0x42, 0x4c, 0x5e, 0x50, 0x0a, 0x04, 0x16, 0x18, 0x32, 0x3c, 0x2e, 0x20,
0xec, 0xe2, 0xf0, 0xfe, 0xd4, 0xda, 0xc8, 0xc6, 0x9c, 0x92, 0x80, 0x8e, 0xa4, 0xaa, 0xb8, 0xb6,
0x0c, 0x02, 0x10, 0x1e, 0x34, 0x3a, 0x28, 0x26, 0x7c, 0x72, 0x60, 0x6e, 0x44, 0x4a, 0x58, 0x56,
0x37, 0x39, 0x2b, 0x25, 0x0f, 0x01, 0x13, 0x1d, 0x47, 0x49, 0x5b, 0x55, 0x7f, 0x71, 0x63, 0x6d,
0xd7, 0xd9, 0xcb, 0xc5, 0xef, 0xe1, 0xf3, 0xfd, 0xa7, 0xa9, 0xbb, 0xb5, 0x9f, 0x91, 0x83, 0x8d
};
/**********************************************************************/
/* */
/* AES算法实现 */
/* */
/**********************************************************************/
/******************************下面是加密的变换函数**********************/
/**
* S盒变换 - 前4位为行号，后4位为列号
*/
void SubBytes(byte mtx[4 * 4]) {
for (int i = 0; i < 16; ++i) {
int row = mtx[i][7] * 8 + mtx[i][6] * 4 + mtx[i][5] * 2 + mtx[i][4];
int col = mtx[i][3] * 8 + mtx[i][2] * 4 + mtx[i][1] * 2 + mtx[i][0];
mtx[i] = S_Box[row][col];
}
}
/**
* 行变换 - 按字节循环移位
*/
void ShiftRows(byte mtx[4 * 4]) {
// 第二行循环左移一位
byte temp = mtx[4];
for (int i = 0; i < 3; ++i)
mtx[i + 4] = mtx[i + 5];
mtx[7] = temp;
// 第三行循环左移两位
for (int i = 0; i < 2; ++i) {
temp = mtx[i + 8];
mtx[i + 8] = mtx[i + 10];
mtx[i + 10] = temp;
}
// 第四行循环左移三位
temp = mtx[15];
for (int i = 3; i > 0; --i)
mtx[i + 12] = mtx[i + 11];
mtx[12] = temp;
}
/**
* 有限域上的乘法 GF(2^8)
*/
byte GFMul(byte a, byte b) {
unsigned int value;
memcpy(&value, &b, sizeof(b));
if (a == 0x02) {
//cout<<value<<" "<<b<<endl;
return Mul_02[value];
}
else if (a == 0x03) {
return Mul_03[value];
}
else if (a == 0x09) {
return Mul_09[value];
}
else if (a == 0x0b) {
return Mul_0b[value];
}
else if (a == 0x0d) {
return Mul_0d[value];
}
else if (a == 0x0e) {
return Mul_0e[value];
}
//
// byte p = 0;
// byte hi_bit_set;
// for (int counter = 0; counter < 8; counter++) {
// if ((b & byte(1)) != 0) {
// p ^= a;
// }
// hi_bit_set = (byte) (a & byte(0x80));
// a <<= 1;
// if (hi_bit_set != 0) {
// a ^= 0x1b; /* x^8 + x^4 + x^3 + x + 1 */
// }
// b >>= 1;
// }
// return p;
// return {};
}
/**
* 列变换
*/
void MixColumns(byte mtx[4 * 4]) {
byte arr[4];
for (int i = 0; i < 4; ++i) {
for (int j = 0; j < 4; ++j)
arr[j] = mtx[i + j * 4];
mtx[i] = GFMul(0x02, arr[0]) ^ GFMul(0x03, arr[1]) ^ arr[2] ^ arr[3];
mtx[i + 4] = arr[0] ^ GFMul(0x02, arr[1]) ^ GFMul(0x03, arr[2]) ^ arr[3];
mtx[i + 8] = arr[0] ^ arr[1] ^ GFMul(0x02, arr[2]) ^ GFMul(0x03, arr[3]);
mtx[i + 12] = GFMul(0x03, arr[0]) ^ arr[1] ^ arr[2] ^ GFMul(0x02, arr[3]);
}
}
/**
* 轮密钥加变换 - 将每一列与扩展密钥进行异或
*/
void AddRoundKey(byte mtx[4 * 4], word k[4]) {
for (int i = 0; i < 4; ++i) {
word k1 = k[i] >> 24;
word k2 = (k[i] << 8) >> 24;
word k3 = (k[i] << 16) >> 24;
word k4 = (k[i] << 24) >> 24;
mtx[i] = mtx[i] ^ byte(k1.to_ulong());
mtx[i + 4] = mtx[i + 4] ^ byte(k2.to_ulong());
mtx[i + 8] = mtx[i + 8] ^ byte(k3.to_ulong());
mtx[i + 12] = mtx[i + 12] ^ byte(k4.to_ulong());
}
}
/**************************下面是解密的逆变换函数***********************/
/**
* 逆S盒变换
*/
void InvSubBytes(byte mtx[4 * 4]) {
for (int i = 0; i < 16; ++i) {
int row = mtx[i][7] * 8 + mtx[i][6] * 4 + mtx[i][5] * 2 + mtx[i][4];
int col = mtx[i][3] * 8 + mtx[i][2] * 4 + mtx[i][1] * 2 + mtx[i][0];
mtx[i] = Inv_S_Box[row][col];
}
}
/**
* 逆行变换 - 以字节为单位循环右移
*/
void InvShiftRows(byte mtx[4 * 4]) {
// 第二行循环右移一位
byte temp = mtx[7];
for (int i = 3; i > 0; --i)
mtx[i + 4] = mtx[i + 3];
mtx[4] = temp;
// 第三行循环右移两位
for (int i = 0; i < 2; ++i) {
temp = mtx[i + 8];
mtx[i + 8] = mtx[i + 10];
mtx[i + 10] = temp;
}
// 第四行循环右移三位
temp = mtx[12];
for (int i = 0; i < 3; ++i)
mtx[i + 12] = mtx[i + 13];
mtx[15] = temp;
}
void InvMixColumns(byte mtx[4 * 4]) {
byte arr[4];
for (int i = 0; i < 4; ++i) {
for (int j = 0; j < 4; ++j)
arr[j] = mtx[i + j * 4];
mtx[i] = GFMul(0x0e, arr[0]) ^ GFMul(0x0b, arr[1]) ^ GFMul(0x0d, arr[2]) ^ GFMul(0x09, arr[3]);
mtx[i + 4] = GFMul(0x09, arr[0]) ^ GFMul(0x0e, arr[1]) ^ GFMul(0x0b, arr[2]) ^ GFMul(0x0d, arr[3]);
mtx[i + 8] = GFMul(0x0d, arr[0]) ^ GFMul(0x09, arr[1]) ^ GFMul(0x0e, arr[2]) ^ GFMul(0x0b, arr[3]);
mtx[i + 12] = GFMul(0x0b, arr[0]) ^ GFMul(0x0d, arr[1]) ^ GFMul(0x09, arr[2]) ^ GFMul(0x0e, arr[3]);
}
}
/******************************下面是密钥扩展部分***********************/
/**
* 将4个 byte 转换为一个 word.
*/
word Word(byte& k1, byte& k2, byte& k3, byte& k4) {
word result(0x00000000);
word temp;
temp = k1.to_ulong(); // K1
temp <<= 24;
result |= temp;
temp = k2.to_ulong(); // K2
temp <<= 16;
result |= temp;
temp = k3.to_ulong(); // K3
temp <<= 8;
result |= temp;
temp = k4.to_ulong(); // K4
result |= temp;
return result;
}
word RotWord(word& rw) {
word high = rw << 8;
word low = rw >> 24;
return high | low;
}
word SubWord(bitset<32> sw) {
word temp;
for (int i = 0; i < 32; i += 8) {
int row = sw.to_ulong() & 0xf0;
row >>= 4;
row |= (sw.to_ulong() & 0x0f) << 4;
int col = sw.to_ulong() & 0x0f;
col |= (sw.to_ulong() & 0xf0) >> 4;
byte val = S_Box[row][col];
for (int j = 0; j < 8; ++j)
temp[i + j] = val[j];
sw = sw ^ bitset<32>(1);
}
return temp;
}
void KeyExpansion(byte key[4 * Nk], word w[4 * (Nr + 1)]) {
word temp;
int i = 0;
while (i < Nk) {
w[i] = Word(key[4 * i], key[4 * i + 1], key[4 * i + 2], key[4 * i + 3]);
++i;
}
i = Nk;
while (i < 4 * (Nr + 1)) {
temp = w[i - 1];
if (i % Nk == 0)
w[i] = w[i - Nk] ^ SubWord(RotWord(temp)) ^ Rcon[i / Nk - 1];
else
w[i] = w[i - Nk] ^ temp;
++i;
}
}
/******************************下面是加密和解密函数**************************/
/**
* 加密
*/
void encrypt(byte in[4 * 4], word w[4 * (Nr + 1)]) {
word key[4];
for (int i = 0; i < 4; ++i)
key[i] = w[i];
AddRoundKey(in, key);
for (int round = 1; round < Nr; ++round) {
SubBytes(in);
ShiftRows(in);
MixColumns(in);
for (int i = 0; i < 4; ++i)
key[i] = w[4 * round + i];
AddRoundKey(in, key);
}
SubBytes(in);
ShiftRows(in);
for (int i = 0; i < 4; ++i)
key[i] = w[4 * Nr + i];
AddRoundKey(in, key);
}
/**
* 解密
*/
void decrypt(byte in[4 * 4], word w[4 * (Nr + 1)]) {
word key[4];
for (int i = 0; i < 4; ++i)
key[i] = w[4 * Nr + i];
AddRoundKey(in, key);
for (int round = Nr - 1; round > 0; --round) {
InvShiftRows(in);
InvSubBytes(in);
for (int i = 0; i < 4; ++i)
key[i] = w[4 * round + i];
AddRoundKey(in, key);
InvMixColumns(in);
}
InvShiftRows(in);
InvSubBytes(in);
for (int i = 0; i < 4; ++i)
key[i] = w[i];
AddRoundKey(in, key);
}
#include <fstream>
typedef bitset<8> byte;
typedef bitset<32> word;
/**
* 将一个char字符数组转化为二进制
* 存到一个 byte 数组中
*/
void charToByte(byte out[16], const char s[16]) {
for (int i = 0; i < 16; ++i)
for (int j = 0; j < 8; ++j)
out[i][j] = ((s[i] >> j) & 1);
}
/**
* 将连续的128位分成16组，存到一个 byte 数组中
*/
void divideToByte(byte out[16], bitset<128>& data) {
bitset<128> temp;
for (int i = 0; i < 16; ++i) {
temp = (data << 8 * i) >> 120;
out[i] = temp.to_ulong();
}
}
/**
* 将16个 byte 合并成连续的128位
*/
bitset<128> mergeByte(byte in[16]) {
bitset<128> res;
res.reset(); // 置0
bitset<128> temp;
for (int i = 0; i < 16; ++i) {
temp = in[i].to_ulong();
temp <<= 8 * (15 - i);
res |= temp;
}
return res;
}
int main() {
//byte key[16] = {0x2b, 0x7e, 0x15, 0x16,
// 0x28, 0xae, 0xd2, 0xa6,
// 0xab, 0xf7, 0x15, 0x88,
// 0x09, 0xcf, 0x4f, 0x3c};
//byte plain[16] = {0x32, 0x88, 0x31, 0xe0,
// 0x43, 0x5a, 0x31, 0x37,
// 0xf6, 0x30, 0x98, 0x07,
// 0xa8, 0x8d, 0xa2, 0x34};
输出密钥
//cout << "密钥是：";
//for(auto & i : key)
// cout << hex << i.to_ulong() << " ";
//word w[4*(Nr+1)];
//KeyExpansion(key, w);
输出待加密的明文
//cout << endl << "待加密的明文："<<endl;
//for(int i=0; i<16; ++i)
//{
// cout << hex << plain[i].to_ulong() << " ";
// if((i+1)%4 == 0)
// cout << endl;
//}
加密，输出密文
//encrypt(plain, w);
//cout << "加密后的密文："<<endl;
//for(int i=0; i<16; ++i)
//{
// cout << hex << plain[i].to_ulong() << " ";
// if((i+1)%4 == 0)
// cout << endl;
//}
解密，输出明文
//decrypt(plain, w);
//cout << "解密后的明文："<<endl;
//for(int i=0; i<16; ++i)
//{
// cout << hex << plain[i].to_ulong() << " ";
// if((i+1)%4 == 0)
// cout << endl;
//}
//return 0;
clock_t t = clock();
string keyStr = "abcdefghijklmnop";
byte key[16];
charToByte(key, keyStr.c_str());
// 密钥扩展
word w[4 * (Nr + 1)];
KeyExpansion(key, w);
bitset<128> data;
byte plain[16];
ifstream in;
ofstream out;
in.open(R"(E:\Retained_Data\CyberSecurity\CyberSecurityVS\AES0\ex.mp3)", ios::binary);
out.open(R"(E:\Retained_Data\CyberSecurity\CyberSecurityVS\AES0\gb.txt)", ios::binary);
while (in.read((char*)&data, sizeof(data))) {
divideToByte(plain, data);
encrypt(plain, w);
data = mergeByte(plain);
out.write((char*)&data, sizeof(data));
data.reset(); // 置0
}
in.close();
out.close();
out.open(R"(E:\Retained_Data\CyberSecurity\CyberSecurityVS\AES0\out.mp3)", ios::binary);
in.open(R"(E:\Retained_Data\CyberSecurity\CyberSecurityVS\AES0\gb.txt)", ios::binary);
while (in.read((char*)&data, sizeof(data))) {
divideToByte(plain, data);
decrypt(plain, w);
data = mergeByte(plain);
out.write((char*)&data, sizeof(data));
data.reset(); // 置0
}
in.close();
out.close();
cout << "Running time: " << clock() - t << "ms" << endl;
return 0;
}