基于Rijndael算法的研究和应用

张青凤，张凤琴

（1.运城学院公共计算机教学部，山西运城044000；2.空军工程大学计算机系，陕西西安710071）

2001年美国国家标准技术协会已经将Rijndael算法作为下一代对称密码算法的标准,该算法借鉴了很多Square算法的设计思想。它允许128，192，256位密钥长度,不仅能够在128位分组上工作,也能够在不同的硬件上工作[1-3]。

1 Rijndael算法简介

Rijndael属对称加密,是一种可变数据块长和可变密钥长的迭代分组加密算法,在安全、性能、效率、可实现、灵活等多方面有优点,它被设计成数据块长、密钥长为128/192/256三个可选长度,来加密128bit分组,相应的加密轮数分别为10/12/14,每一轮循环都有一个循环密钥,它来自于初始密钥[4-5]。

2 Rijndael基本术语

2.1 状态

状态由一个4行、Nb列的二维字节数组表示,Nb等于数据块长度除以32,取Nb=4时的状态为:

2.2 分组密钥

Rijindael的消息组a00长度和密钥长度可以是128/192/256比特。为了方便数据的计算和算法的描述,限制密钥长度为128位,128位输入分成16个字节,每字节8位,密码也类似由一个4阶方阵组成,NK等于密码的长度除以32:

2.3 有限域GF(28)

有限域中的元素是按字节计算的,GF(28)的元素代表8比特的字节。例如x7+x6+x3+x+1代表11001011,Rijindael算法选择的多项式为x8+x4+x3+x+1。

2.4 加密轮数Nr

设Nb为一个消息组经上述处理后得到的字的个数,Nk为加密密钥处理后的字的个数。那么Nb=4,6,8；Nk=4,6,8，加密的轮数Nr根据表1由Nb和Nk控制。

3 Rijndael算法的实现

Rijindael算法由10轮、12轮、14轮循环组成,加密过程的每轮循环都有一个循环密钥,每轮循环有4个基本步骤组成:字节转换、移动行变换、混合列变换、加循环密钥。因属对称加密,在加密和解密时都使用相同的密钥。

表1 密钥长度Nb、加密分组长、加密轮数Nr之间的关系

3.1 加密过程

(1)取明文分组为128bit的数据X,

(2)与原始密钥k1异或

(3)s盒变换

(4)行置换

(5)列置换

(6)与子密钥Ki异或

(7)重复(3)～(6)

3.2 解密过程

(1)取加密分组数据S

(2)与子密钥 Ki＋1异或

(3)反行置换

(4)反盒置换

(5)与子密钥Ki异或

(6)反列置换

(7)得解密分组数据

(8)恢复明文分组数据

4 Rijndael算法在文件加解密过程的应用

Rijindael算法常被用于文件的加解密过程,加密时先将读入的明文依次分组,用加密密钥将明文加密后写入文件中;解密时用解密密钥将文件中的密文解密后将明文写入结果文件中。

4.1 加密实现关键代码

public static void EncryptTextToFile(String Data,String FileName,byte[]Key,byte[]IV)

{

try

{//创建文件

FileStream fStream ＝ File.Open(FileName,File－Mode.OpenOrCreate);

//创建新的Rijndael对象

Rijndael RijndaelAlg ＝ Rijndael.Create();

//创建加密流,以passed key和initialization vector(IV)填充

CryptoStream cStream＝new CryptoStream(fStream,Ri

jndaelAlg.CreateEncryptor(Key,IV),

CryptoStreamMode.Write);

//用加密流创建StreamWriter StreamWriter sWriter＝new StreamWriter(cStream);

try

{//加密

sWriter.WriteLine(Data);

}

catch(Exception e)

{

Console.WriteLine("An error occurred:{0}",e.Message);

}

finally

{//关闭文件

sWriter.Close();

cStream.Close();

fStream.Close();

}

}

catch(CryptographicException e)

{

Console.WriteLine("A Cryptographic error occurred:{0}",e.Message);

}

catch(UnauthorizedAccessException e)

{

Console.WriteLine("A file error occurred:{0}",e.Message);

}

}

4.2 解密

从文件中读取密文实现关键代码:

public static string DecryptTextFromFile(String File－

Name,byte[]Key,byte[]IV)

{

try

{//创建文件流

FileStream fStream ＝ File.Open(FileName,File－Mode.OpenOrCreate);

//创建新的Rijndael对象

Rijndael RijndaelAlg ＝ Rijndael.Create();

//创建加密流,以 passed key和 initialization vector(IV)填充

CryptoStream cStream＝new CryptoStream(fStream,RijndaelAlg.CreateDecryptor(Key,IV),

CryptoStreamMode.Read);//用加密流创建StreamWriter

StreamReader sReader＝new StreamReader(cStream);string val＝null;

try

{//解密

val＝ sReader.ReadLine();

}

catch(Exception e)

{

Console.WriteLine("An error occurred:{0}",e.Message);

}

finally

{//关闭文件

sReader.Close();

cStream.Close();

fStream.Close();

}

//返回密码结果

return val;

}

catch(CryptographicException e)

{

Console.WriteLine("A Cryptographic error occurred:{0}",e.Message);

return null;

}

catch(UnauthorizedAccessException e)

{

Console.WriteLine("A file error occurred:{0}",e.Message);return null;

}

}

4.3 实际实现过程

try

{//创建新的Rijndael对象以产生Key和IV(初始化向量)

Rijndael RijndaelAlg = Rijndael.Create ();//需要加密的字符串及保存的文件名

string sData="Here is some data to encrypt.";

string FileName="CText.txt";

//利用Key和IV加密字符串到文件中Encrypt－TextToFile(sData,FileName,RijndaelAlg.Key,RijndaelAlg.IV);

//利用Key和IV从文件中解密

string Final=DecryptTextFromFile(FileName,Rijn

daelAlg.Key,RijndaelAlg.IV);

//显示密码

Console.WriteLine(Final);

}

catch(Exception e)

{

Console.WriteLine(e.Message);

}

5 结语

Rijndael算法作为AES标准,其密钥长度的安全性已经足够,分析结果表明,7轮以上的Rijndael对于square攻击是安全的。Rijndael算法已被广泛应用于身份认证、数字签名、结点加密机、网络加密等方面。Rijndael也有一个非常小的版本(52位),适用在蜂窝电话、个人数字处理器(PDA)和其他的小设备上。

[1]段钢.加密与解密[M].3版.北京:电子工业出版社,2008.

[2]冯登国.信息安全中的数学方法与技术[M].北京:清华大学出版社,2009.

[3]裴定一,徐祥.信息安全数学基础[M].北京:人民邮电出版社，2007.

[4]高永强,郭世泽.网络安全技术与应用大典[M].北京:人民邮电出版社,2004.

[5]王衍波,薛通.应用密码学[M].北京:机械工业出版社,2003.