1 引 言

AES算法是由美國國家標準和技術研究所(NIST)用時3年，歷經2輪評估，選出的高級加密算法。AES的所有設計原則都是公開的，沒有專利權方面的問題，任何人都可以通過正常渠道得到并使用這種算法。作為新一代的數據加密標準，AES匯聚了強安全性、高性能、高效率、易用和靈活等優點，加密速度快，對內存要求低，非常適合應用在嵌入式平臺上。本文在分析AES加密算法原理的基礎上，著重說明算法的實現步驟，用C語言完整地實現了AES算法的加／解密操作，并在PVR機頂盒中實現應用。

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算。置換是對數據重新進行排列，代換是將一個數據單元替換為另一個。本文采用的AES-128算法輸入為128位數據，密鑰長度也是128位。每一輪都需要1個與輸入分組具有相同長度的擴展密鑰參與。

AES算法主要由3部分組成：輪變化、圈數和密鑰擴展。本文詳細介紹AES加／解密算法中各部分的實現步驟；結合C語言，實現高級加密算法AES在PVR數字電視機頂盒中的應用。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數據分組狀態。主要是通過對5個子模塊SubBytes，ShiftRows，MixColumns，AddRounke和GetNewEncrypt的循環調用實現。

Subbyte變換即s盒置換，是AES算法中是惟一的非線性變換。它對狀態中的每個字節用S-box做一個置換。每個字節的前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盒中對應行和列的元素作為輸出代替該字節。

ShiftRow完成基于行的循環移位操作。它將狀態中的行按照不同的偏移量進行循環移位，一般情況下，第0行不動，第1行循環左移1個字節，第2行循環左移2個字節，第3行循環左移3個字節。

MixColumn對狀態列進行混淆變換。將ShiftRow的變換結果看作GF(28)域上的多項式，乘以c(x)=03x3+01x2+01x+02，然后模上不可約多項式x8+x4+x3+x+1。本文根據GF(28)有限域的運算規則，將列變換改進為簡單的移位和異或操作。設1個字節為(b7b6b5b4b3b2b1b0)，則：

AddRounkey是將列混合后的結果與子密鑰進行簡單的按字節異或邏輯運算。

GetNewEncrypt生成下一輪變換所需密鑰，它是按矩陣的列進行分組的，產生方法如下：如果第i列不是4的倍數，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，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)的一種轉換形式，設W(i-1)=[a，b，c，d]。實現方式如下：

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

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

AddRounkey變換將MixColumn變換的結果和GetNewEncrypt變換的結果按對應字節異或，所得結果作為下一輪變換的輸入。

上述的5個步驟完成了一輪AES加密變換，根據加密輪數重復上述過程，直到最后一輪變換。最后一輪變換的不同之處在于沒有進行列混疊變換MixCol-umn，AddRounkey變換直接將ShiftRow變換后的結果和GetNewEncrypt變換的結果按對應字節異或，結果作為AES變換的輸出，即得到密文。