AES算法在PVR機(jī)頂盒中的應(yīng)用研究

1 引 言

AES算法是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所(NIST)用時(shí)3年，歷經(jīng)2輪評(píng)估，選出的高級(jí)加密算法。AES的所有設(shè)計(jì)原則都是公開的，沒有專利權(quán)方面的問題，任何人都可以通過正常渠道得到并使用這種算法。作為新一代的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，AES匯聚了強(qiáng)安全性、高性能、高效率、易用和靈活等優(yōu)點(diǎn)，加密速度快，對(duì)內(nèi)存要求低，非常適合應(yīng)用在嵌入式平臺(tái)上。本文在分析AES加密算法原理的基礎(chǔ)上，著重說明算法的實(shí)現(xiàn)步驟，用C語言完整地實(shí)現(xiàn)了AES算法的加／解密操作，并在PVR機(jī)頂盒中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

2 AES加密／解密算法原理簡介

AES算法屬于分組密碼算法，它的輸入分組、輸出分組及加／解密的中間分組長度都是128 b。密鑰長度有3種：128，192和256 b。

AES算法基于置換和代換運(yùn)算。置換是對(duì)數(shù)據(jù)重新進(jìn)行排列，代換是將一個(gè)數(shù)據(jù)單元替換為另一個(gè)。本文采用的AES-128算法輸入為128位數(shù)據(jù)，密鑰長度也是128位。每一輪都需要1個(gè)與輸入分組具有相同長度的擴(kuò)展密鑰參與。

AES算法主要由3部分組成：輪變化、圈數(shù)和密鑰擴(kuò)展。本文詳細(xì)介紹AES加／解密算法中各部分的實(shí)現(xiàn)步驟；結(jié)合C語言，實(shí)現(xiàn)高級(jí)加密算法AES在PVR數(shù)字電視機(jī)頂盒中的應(yīng)用。所采用的AES-128算法的加／解密模塊程序流程圖如圖1所示。

2.1 加密變換

AES加密算法的每一輪加密都使用代替和混疊并行地處理整個(gè)數(shù)據(jù)分組狀態(tài)。主要是通過對(duì)5個(gè)子模塊SubBytes，ShiftRows，MixColumns，AddRounke和GetNewEncrypt的循環(huán)調(diào)用實(shí)現(xiàn)。

Subbyte變換即s盒置換，是AES算法中是惟一的非線性變換。它對(duì)狀態(tài)中的每個(gè)字節(jié)用S-box做一個(gè)置換。每個(gè)字節(jié)的前4位指定s盒的行值，后4位指定了S盒的列值，然后取出S盒中對(duì)應(yīng)行和列的元素作為輸出代替該字節(jié)。

ShiftRow完成基于行的循環(huán)移位操作。它將狀態(tài)中的行按照不同的偏移量進(jìn)行循環(huán)移位，一般情況下，第0行不動(dòng)，第1行循環(huán)左移1個(gè)字節(jié)，第2行循環(huán)左移2個(gè)字節(jié)，第3行循環(huán)左移3個(gè)字節(jié)。

MixColumn對(duì)狀態(tài)列進(jìn)行混淆變換。將ShiftRow的變換結(jié)果看作GF(28)域上的多項(xiàng)式，乘以c(x)=03x3+01x2+01x+02，然后模上不可約多項(xiàng)式x8+x4+x3+x+1。本文根據(jù)GF(28)有限域的運(yùn)算規(guī)則，將列變換改進(jìn)為簡單的移位和異或操作。設(shè)1個(gè)字節(jié)為(b7b6b5b4b3b2b1b0)，則：

AddRounkey是將列混合后的結(jié)果與子密鑰進(jìn)行簡單的按字節(jié)異或邏輯運(yùn)算。

GetNewEncrypt生成下一輪變換所需密鑰，它是按矩陣的列進(jìn)行分組的，產(chǎn)生方法如下：如果第i列不是4的倍數(shù)，即(i％4==1)，那么i列由如下等式確定：

W(i)=W(i-4)XORW(i-1)。

如果第i列是4的倍數(shù)，即(i％4==0)，則i列由如下等式確定：

W(i)=W(i-+4)XOR T[W(i-1)]

其中T[W(i-1)]是w(i-1)的一種轉(zhuǎn)換形式，設(shè)W(i-1)=[a，b，c，d]。實(shí)現(xiàn)方式如下：

將W(i-1)的元素左移一位，即[b，C，d，a]。將這4個(gè)字節(jié)輸入到S盒，得到新的4個(gè)字節(jié)[e，f，g，h]。計(jì)算新一輪的常量r(i)=2(i-4)／4。生成轉(zhuǎn)換后的列[e XOR r(i)，f，g，h]。

第i輪的密鑰生成列W(4i)，W(4i+1)，W(4i+2)，W(4i+3)，于是得到第i+1輪的密鑰矩陣。

在計(jì)算輪常量時(shí)，當(dāng)加密輪數(shù)大于或等于9時(shí)，8位不足以表示其值，此時(shí)將mod(x8+x4+x3+x+1)，值為0x1b，之后的值就是0x1b得倍數(shù)。即r(i)大于等于256時(shí)，r(i)的值為0x1b*(turn-8)。

AddRounkey變換將MixColumn變換的結(jié)果和GetNewEncrypt變換的結(jié)果按對(duì)應(yīng)字節(jié)異或，所得結(jié)果作為下一輪變換的輸入。

上述的5個(gè)步驟完成了一輪AES加密變換，根據(jù)加密輪數(shù)重復(fù)上述過程，直到最后一輪變換。最后一輪變換的不同之處在于沒有進(jìn)行列混疊變換MixCol-umn，AddRounkey變換直接將ShiftRow變換后的結(jié)果和GetNewEncrypt變換的結(jié)果按對(duì)應(yīng)字節(jié)異或，結(jié)果作為AES變換的輸出，即得到密文。