高级加密标准算法R i j n d a e l的分析与应用*

2012-08-15 02:02张青凤张凤琴

网络安全与数据管理 2012年7期

张青凤，张凤琴，王蓉

（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 710077）

1 Rijndael算法的背景

AES（Advanced Encryption Standard）是美国联邦标准局于1997年开始向全世界征集的加密标准[1]，属于对称加密算法，代表了当今最先进的编码技术，最终获胜的是RijnDael算法。统计显示，即使使用目前世界上运算速度最快的计算机，穷尽128 bit密钥也需要几十亿年的时间，更不用说去破解采用256 bit密钥长度的AES算法了。

Rijndael算法由比利时计算机科学家Vincent Rijmen和 Joan Daemen 开发，它使用 128 bit、192 bit、256 bit的密钥长度，比 56 bit的 DES更健壮可靠[3]。美国国家标准技术研究所选择Rijndael作为美国政府加密标准AES的加密算法，取代早期的数据加密标准DES[1]。Rijndael作为一种迭代分组加密算法，其数据块长度和密钥长度均是可变的，因此它汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用、灵活等优点被广泛应用在各个领域中。

2 Rijndael算法的设计原理

Rijndael作为加密标准AES算法，其128 bit输入分组用以字节为单位的矩阵方阵描述[4]。该数组被复制到State数组。数据块长度、密钥长度可以被设定为128 bit、192 bit、256 bit三个可选长度，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。

2.1 Rijndael算法的加密流程

加密过程分为四个阶段：密钥扩展、轮密钥加、Nr-1（128 bit、192 bit、256 bit密钥长度，Nr分别为 10、12、14）轮变换及最后一轮变换。轮变换包括字节代换、行移位、列混淆和轮密钥加四个过程，最后一轮变换包括字节代换、行移位和轮密钥加三个过程。其流程图如图1所示。

（1）状态：指明文分组及每次变换的中间结果[4]，是一个4×Nb的矩阵，Nb为数据块长度除以32。

（2）字符代换：用一个简单的查表操作代替了基于矩阵乘法的复杂仿射变换。S盒是一个16×16字节矩阵，包含8 bit值所能表达的256种可能的变换。把Statc中每个字节的高4位作为行值，低4位作为列值，取出S盒中对应行列的元素作为新的字节输出。

图1 Rijndael算法加密流程

（3）行移位：State的第一行保持不变，第 2、3、4行分别循环左移1、2、3个字节。

（4）列混淆：可表示为基于系数矩阵CoefMix与State的矩阵乘法。乘积矩阵中的每个元素S[i，j]是系数矩阵中一行元素CoefMix[i，k]与State矩阵中对应一列元素State[k，j]的乘积之和。这里的加法与乘法都定义在有限域 GF（28）上：加法即按位“异或”操作，乘法遵循 GF（28）上的多项式乘法规则[2]。

（5）轮密钥加：是基于 State列的操作，即把 State一列中的4个字节与轮密钥RoundKey的1个字进行 “异或”。

（6）扩展密钥：以 4个字密钥为输入，生成 44字扩展密钥数组ω[44]，为初始轮密钥加阶段和后面10轮变换提供轮密钥。输入密钥直接被复制到扩展密钥数组的前4个字，然后每次用4个字填充扩展密钥数组余下的部分[4]。在扩展密钥数组中，ω[i]值依赖于 ω[i-1]和 ω[i-4]。 ω 数组中下标不是 4的倍数时，ω[i]为 ω[i-1]和ω[i-4]的“异或”。下标为 4的倍数时，首先将 ω[i-1]的4个字节循环左移1个字节，然后利用S盒对每个字节进行字节代换，再与轮常量按位“异或”。轮常量是1个字，其最右边3个字节为0，最左边 1个字节的值 RC[j]与轮数 j相关。 RC[1]=1，RC[j]=2·RC[j-1]，乘法定义在GF（28）上。RC[j]值以十六进制表示。

（7）加密轮数 Nr：在 Rijndael算法中，运算的轮数（Nr）是由Nb及Nk所决定的[4]，轮数的变动定义如表1所示。