基于ＡＥＳ加密算法的消息系统设计

沈　俊

[摘要]AES是一种对称分组密码算法，它是广泛应用的新标准。首先介绍AES加密算法的基本操作和流程。随后讨论AES加密算法的实现。最后，阐述一个基于AES加密算法的消息系统的设计方案。

[关键词]AES加密 消息系统 网络安全

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2009）0110052-02

一、引言

美国国家标准技术协会（NIST）在2001年发布了高级加密标准（AES）。AES是一种对称分组密码算法，用以取代DES的商业应用，从而成为广泛使用的新标准。其分组长度为128位，密钥长度为128位，192位或256位，其中128位的密钥长度最常用。以下各节介绍了一个基于AES加密算法的消息系统的设计。

二、AES加密算法简介

AES加密算法1、2中128位密钥是最常用的，故以128位密钥为例介绍。AES加密算法有四种基本的操作：

1．字节代换：用一个S盒完成分组中的按字节代换。

2．行移位：一个简单的基于行的置换。

3．列混淆：一个利用在域GF(28)上算术特性的代换。

4．轮密钥加：用当前分组和扩展密钥的一部分进行按位异或。

AES加密、解密算法的流程如图1所示：

图1中，输入的密钥将被扩展成由44个32位字组成的数组W[i]，在每轮加解密过程中有四个字（128位）的密钥。

AES加密算法的详细内容请参考文献[1]。

三、AES加密算法实现

AES加密算法中，S盒的初始化和列混淆变换都要用到有限域GF(28)上的运算乘法和加法。因此先阐述有限域GF(28)上运算的实现，再介绍AES加密算法的实现。

（一）有限域GF(28)上运算实现

一个专门的GF2NOP_1B类被用来进行一字节（8位）的加法、乘法和循环左右移位运算，类的主要方法在AES加密算法中会被调用。

1．加法

GF（28）上的加法实际上就是按位异或运算。代码如下：

GF2NOP_1B GF2NOP_1B：：operator+（ubyte ubV）//typedef unsigned

char ubyte；

{

GF2NOP_1B gfR；

gfR = this->ubValue ^ ubV； //XOR

return gfR；

}

2．乘法

乘法要稍微复杂一些，不能只用简单的异或运算。但是可以使用一种合理而容易实现的技巧，原理请见参考文献[2]，这里只给出实现：

GF2NOP_1B GF2NOP_1B：：operator * （ubyte ubV）

{

GF2NOP_1B gfR = 0；

ubyte ubMulN = ubV；

ubyte ubMN = （ubyte）iMODNUM_8； //iMODNUM_8 = 00011011b

ubyte ubTmp；

int i；

for （i = 0； ubMulN； ubMulN >>= 1， i++） {

if （i == 0）

ubTmp = this->ubValue；

else {

if （ubTmp &0x80） {

ubTmp <<= 1；

ubTmp ^= ubMN；

}

else

ubTmp <<= 1；

}

if （ubMulN & 1） {

gfR = gfR + ubTmp；

}

}

return gfR；

}

代码中还有一个类GF2NOP_4B是实现有限域GF(28)上4字节的运算，使得AES算法在32位机上用32位字操作会更紧凑更高效。

（二）AES加解密算法及实现

一个AESCrypt类被用来实现AES加解密，其主要方法有：密钥扩展、轮密钥加、字节代换、行移位、列混淆。其中，字节代换是用查表法实现的，列混淆是矩阵的乘法实现的，其它几个方法也比较容易实现。

图1所示AES加密算法和解密算法不同，采取两处改进[2]可以使解密算法的结构和加密算法的结构一致。分别是，在解密轮中，交换逆向行移位和逆向字节代换，交换轮密钥加和逆向列混淆。

逆向行移位影响字节的顺序，但不更改字节的内容，也不依赖字节的内容来进行它的变换。逆向字节代换影响字节的内容，但不更改字节的顺序同时也不依赖字节的顺序来进行它的变换。因此，这两个操作可以交换。如对一个给定的State Si：

逆向行移位[逆向字节代换（Si）]=逆向字节代换[逆向行移位（Si）] （1）

类似的第二处改进也可以用一个算式表示，即对给定的State Si和给定的轮密钥wj：

InvMixColumns（Si^wj）= [InvMixColumns（Si）]^[InvMixColumns（wj）] （2）

其中“^”符号表示异或，上式的证明见文献[2]。至此，加、解密的轮函数已经统一起来了，轮函数的C++声明如下：

int AESCrypt：：RoundFun（int iRound， int iEDFlag）；

参数iRound是轮数，加密时是1到10，解密时是9到0；iEDFlag是加、解密标志，真值为解密。轮函数的UML[3]活动图如图2所示：

图2清楚地描绘了AES加、解密算法的轮函数，图中最后一个分支处当解密并且iRound!=0时有三步操作：ExpandKey[iRound]列逆混淆、轮密钥加、ExpandKey[iRound]列混淆。第一、二步与前面的States[iRound]列逆混淆完成了上述式（2）等号右边的运算，而第三步则是为了还原ExpandKey[iRo

und]。

四、消息系统的设计

这里设计的消息系统是C/S结构的，客户端通过服务器与另一个客户端联系。服务器端的主要功能是：接受管理客户端的连接请求，存储转发客户端的消息。其UML构件图如图3。

TCP/IP接口构件是对Socket API的封装，为上层构件提供接口；数据库接口构件是对数据库访问操作的封装，为上层构件提供接口。客户端连接请求到达时，经由AES加解密构件解密后由连接管理构件管理，并反馈以密钥生成构件随机生成的密钥；当有消息到达时，AES加解密构件对其解密后，由消息处理构件进行处理，由消息存档构件存入数据库，并由消息分发构件向连接管理构件查询目标地址后交由TCP/IP接口构件发送。

客户端程序比较简单，主要的流程如图4的UML活动图。

图4中请求连接时的请求数据是用默认密钥进行加密的，服务器响应后会返回新密钥，以后的会话都使用新密钥进

行。监听和等待发送是由两个线程同时执行的。这两个线程一般都是在等待睡眠中，所以CPU占用率很低。

五、结束语

以上由介绍AES加密算法开始阐述了一个基于AES加密算法的消息系统的设计。这里介绍的这个系统是一个初步的雏形，尚只在局域网内应用。此系统存在的缺陷是用默认的AES密钥加密来传输AES新密钥，很容易被黑客破解。为了使系统更安全，下一步的工作是将AES密钥用RSA算法加密后再传输。

参考文献：

[1]Deamen，j.and Rijmen，V.“Rijndael： The Advanced Encryption Standard.”Dr.Dobb's Journal， March 2001.

[2]孟庆树、王丽娜、傅建明等译，William Stallings.密码编码学与网络安全：原理与实践[M].第四版.北京：电子工业出版社，2006：66-125.

[3]李洋、郑龑等译，Larman，C.UML和模式应用[M].第三版.北京：机械工业出版社，2006.

作者简介：

沈俊，男，浙江省湖州人，同济大学硕士研究生，主要从事网络化测试平台通信安全的研究。