基于AES的加密機制的實現

電子通信論文編號:TX043        論文字數:23746,頁數:57

目   錄
中文摘要  I
英文摘要  II
前    言  1
1 對稱密鑰加密算法簡介  4
1.1對稱密碼算法體制  4
1.2 密碼工作模式  4
1.2.1 電子密碼本模式  4
1.2.2 密碼反饋模式  4
1.2.3 密碼分組鏈接模式  5
1.2.4 輸出反饋模式  6
1.3 本章小結  7
2 對稱算法的攻擊  8
2.1 線性密碼分析  8
2.2 差分密碼分析  11
2.3 能量分析  12
2.3.1 能量分析的原理  12
2.3.2 差分能量分析  12
2.4 本章小結  14 
3 Rijndael 算法  15
3.1 Rijndael 算法簡介  15
3.2 Rijndael 算法的數學基礎  19
3.2.1 加法運算  20
3.2.2 乘法運算  20
3.3 Rijndael 的加解密流程  20
3.4 Rijndael 中的四種變換及設計原則  21
3.4.1SubBytes   22
3.4.2ShiftRows  23
3.4.3MixColumns  23
3.4.4 密鑰加法  23
3.4.5 密鑰的編排  24
3.5 本章小結  26
4 AES 算法在長字處理平臺上的改進實現  27
4.1 實現的過程  27
4.2 上述過程的優化  28
4.2.1 輪變換的進一步改進  28
4.2.2 S 盒的生成  29
4.3 本章小結  30
5 一種 Rijndael 算法工作模式的研究   31
5.1 擴展工作模式簡  31
5.2 RBC 模式與其它工作模式的組合  33
5.2.1 RBC-CFB 混合模式  33
5.2.2 RBC-CBC 混合模式  35
5.2.3 RBC-OFB 混合模式  36
5.3 性能分析  37
5.3.1 安全性  37
5.3.2 效率  37
5.3.3 其它特性  38
5.4 本章小結  38
6 全文總結  39
致謝  40
參考文獻  41
附錄  42

摘 要

對稱密碼是現代密碼學中的一個重要分支，其誕生和發展有著廣泛的使用背景和重要的理論價值。目前這一領域還有許多理論和實際問題有待繼續研究和完善。這些問題包括：如何設計可證明安全的密碼算法；如何加強現有算法及其工作模式的安全性；如何測試密碼算法的安全性；如何設計安全的密碼組件，例如 S-盒、擴散層及密鑰擴展算法等。目前分組密碼所采用的整體結構可分為 Feistel 結構（如CAST-256、DEAL、 DFC、E2等）、SP 網絡（如 Safer+、Serpent 等）及其他密碼結構（例如Frog和HPC）。Feistel 結構最大的優點是容易保證加解密的相似性；SP 網絡則是擴散性能比較好。AES 沿襲了 SQUARE 的特點采用了 SP 網絡結構，并在加解密過程大量使用矩陣運算，這樣做使得加密和解密過程略有不同，但大幅提高了算法實現的效率。雖然 AES 的設計在分組密碼系統的發展上有了一個質的飛躍，然而目前仍有研究和改進的空間。AES 在多種平臺上實現的效率有待進一步提高， 同時新的加解密工作模式也有待研究。本論文簡單介紹了對稱密碼學的部分基本知識和 AES 算法的工作過程，根據 AES 算法大量矩陣運算的的特點，改進了傳統的基于查表運算提高加解密速度的方法，給出了其在時間和空間上的優化實現： 該算法的時間優化能夠提高 AES 算法的加解密速度， 空間優化能在提高速度的前提下節省存儲上的開銷；同時提出了 S 盒在硬件平臺上生成的高效方法。另外，AES 的工作模式也是目前研究的熱點之一。論文作者利用 Rijndael 算法在分組長度和密鑰長度上的靈活性，設計了一種基于隨機分組的加解密工作模式，這種工作模式能夠提高 Rijndael 算法工作的安全性；論文中證明了在目前應用的消息長度下，完全解密這種模式是不可能事件；該模式還可與 CFB、CBC 等原有模式組合，在保持原有模式優勢的基礎上大大增加安全性；另外，本論文分析了這種模式的其它特性，對這種工作模式的應用環境提出了建議。 關鍵詞：對稱加密算法，Rijndael，有限域，工作模式

ABSTRACT
Symmetrical cryptosystem is an important branch of modern cryptography, with
its appearance and development there are wide applicant background and theorial
value. There are lot theorial and applicant problems need to be studied and optimized,
such as: how to design a provable safe cryptosystem, how to strengthen the safty of
algorithms and working modules which are already available, how to test the safty of
a cipher algorithm, how to design safe components of a cryptosystem, as S-boxes,
diffusing layers, and key-expanding processes, etc.
The general architecture of symmetrical cryptosystem at present can be sorted as
Feistel (CAST-256, DEAL, DFC E2, etc.), SP network (Safer+, Serpent, etc.) and
other architectures (Frog, HPC). Symmetry is the most distinct character of Feistel,
while SP network has a good deffuse capability. AES inherited SQUARE in
designation, and added in a lot of matrix operations. This causes a bit different
between encryption and decryption, but it optimizes the efficiency of the algorism.
     AES is a rapid progress in cryptosystem development, however, it needs to be
ameliorated yet. The efficiency of AES may be boosted, and new working module is
also necessary to be developed.
This paper introuduces the theory of semmetrical cryptography and the working
process of AES algorithm, improves a conventional means of increasing the
encrypting speed based on table-looking-up method, proposes its optimized algorism,
which can greately increase the encrypting/decrypting speed, or save on memory
space. Besides, a high-efficient method of generating S-box is proposed.
And, the working module of AES is also a hot point of researching at present. A
working module based on random block length is designed taking the advantage of
Rijndael that it has a obvious agility in the length of block and cipher key, and this
module can strengthen the safty of Rijndael algorithm. that completely crack this
module is a imporsable case at the applicant level of present is proved. This module is
also able to be composed with CFB, CBC, and other available modules, strengthening
safty and remaining aviable merits. And, other characters of this module are analysed
in this paper, based this, some advices of applying it are proprsed.

Keywords: symmetrical cryptography, Rijndael, finite field, working module