AES-128算法实现（附C++源码）
前言
这次写AES算法的实验，发现还是比较麻烦的。同时，身边的很多同学对于该算法的编程实现会觉得比较晦涩，再加上AES本身的算法本身也比较复杂，使得实现起来比较麻烦，除此之外，很多同学也反映出网上的很多源码的程序都不能跑。基于这些情况，我决定出这么的一篇blog，希望能够帮助你们理解AES算法并完成对应的编程实现。
AES的算法流程
不妨参考下图
或者参考这个来自课件的流程图，会更清楚
如你所见，AES的流程会分为几部分：密钥拓展、轮密钥加、字节代换、行位移、列混淆。 其中后面四部分会出现在迭代轮数中，也在解密中 会有对应的 逆操作。
几个你会用到的常量
S盒
// s 盒， 用于密钥生成和加密时的字节代换
static const int S[16][16] = { 0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, 0xf2, 0x6b, 0x6f, 0xc5, 0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, 0xfe, 0xd7, 0xab, 0x76,
0xca, 0x82, 0xc9, 0x7d, 0xfa, 0x59, 0x47, 0xf0, 0xad, 0xd4, 0xa2, 0xaf, 0x9c, 0xa4, 0x72, 0xc0,
0xb7, 0xfd, 0x93, 0x26, 0x36, 0x3f, 0xf7, 0xcc, 0x34, 0xa5, 0xe5, 0xf1, 0x71, 0xd8, 0x31, 0x15,
0x04, 0xc7, 0x23, 0xc3, 0x18, 0x96, 0x05, 0x9a, 0x07, 0x12, 0x80, 0xe2, 0xeb, 0x27, 0xb2, 0x75,
0x09, 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a, 0xa0, 0x52, 0x3b, 0xd6, 0xb3, 0x29, 0xe3, 0x2f, 0x84,
0x53, 0xd1, 0x00, 0xed, 0x20, 0xfc, 0xb1, 0x5b, 0x6a, 0xcb, 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, 0xcf,
0xd0, 0xef, 0xaa, 0xfb, 0x43, 0x4d, 0x33, 0x85, 0x45, 0xf9, 0x02, 0x7f, 0x50, 0x3c, 0x9f, 0xa8,
0x51, 0xa3, 0x40, 0x8f, 0x92, 0x9d, 0x38, 0xf5, 0xbc, 0xb6, 0xda, 0x21, 0x10, 0xff, 0xf3, 0xd2,
0xcd, 0x0c, 0x13, 0xec, 0x5f, 0x97, 0x44, 0x17, 0xc4, 0xa7, 0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73,
0x60, 0x81, 0x4f, 0xdc, 0x22, 0x2a, 0x90, 0x88, 0x46, 0xee, 0xb8, 0x14, 0xde, 0x5e, 0x0b, 0xdb,
0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c, 0xc2, 0xd3, 0xac, 0x62, 0x91, 0x95, 0xe4, 0x79,
0xe7, 0xc8, 0x37, 0x6d, 0x8d, 0xd5, 0x4e, 0xa9, 0x6c, 0x56, 0xf4, 0xea, 0x65, 0x7a, 0xae, 0x08,
0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, 0xa6, 0xb4, 0xc6, 0xe8, 0xdd, 0x74, 0x1f, 0x4b, 0xbd, 0x8b, 0x8a,
0x70, 0x3e, 0xb5, 0x66, 0x48, 0x03, 0xf6, 0x0e, 0x61, 0x35, 0x57, 0xb9, 0x86, 0xc1, 0x1d, 0x9e,
0xe1, 0xf8, 0x98, 0x11, 0x69, 0xd9, 0x8e, 0x94, 0x9b, 0x1e, 0x87, 0xe9, 0xce, 0x55, 0x28, 0xdf,
0x8c, 0xa1, 0x89, 0x0d, 0xbf, 0xe6, 0x42, 0x68, 0x41, 0x99, 0x2d, 0x0f, 0xb0, 0x54, 0xbb, 0x16 };
逆S盒
// 逆s 盒， 用于在解密时的 逆字节变换
static const int S1[16][16] = { 0x52, 0x09, 0x6a, 0xd5, 0x30, 0x36, 0xa5, 0x38, 0xbf, 0x40, 0xa3, 0x9e, 0x81, 0xf3, 0xd7, 0xfb,
0x7c, 0xe3, 0x39, 0x82, 0x9b, 0x2f, 0xff, 0x87, 0x34, 0x8e, 0x43, 0x44, 0xc4, 0xde, 0xe9, 0xcb,
0x54, 0x7b, 0x94, 0x32, 0xa6, 0xc2, 0x23, 0x3d, 0xee, 0x4c, 0x95, 0x0b, 0x42, 0xfa, 0xc3, 0x4e,
0x08, 0x2e, 0xa1, 0x66, 0x28, 0xd9, 0x24, 0xb2, 0x76, 0x5b, 0xa2, 0x49, 0x6d, 0x8b, 0xd1, 0x25,
0x72, 0xf8, 0xf6, 0x64, 0x86, 0x68, 0x98, 0x16, 0xd4, 0xa4, 0x5c, 0xcc, 0x5d, 0x65, 0xb6, 0x92,
0x6c, 0x70, 0x48, 0x50, 0xfd, 0xed, 0xb9, 0xda, 0x5e, 0x15, 0x46, 0x57, 0xa7, 0x8d, 0x9d, 0x84,
0x90, 0xd8, 0xab, 0x00, 0x8c, 0xbc, 0xd3, 0x0a, 0xf7, 0xe4, 0x58, 0x05, 0xb8, 0xb3, 0x45, 0x06,
0xd0, 0x2c, 0x1e, 0x8f, 0xca, 0x3f, 0x0f, 0x02, 0xc1, 0xaf, 0xbd, 0x03, 0x01, 0x13, 0x8a, 0x6b,
0x3a, 0x91, 0x11, 0x41, 0x4f, 0x67, 0xdc, 0xea, 0x97, 0xf2, 0xcf, 0xce, 0xf0, 0xb4, 0xe6, 0x73,
0x96, 0xac, 0x74, 0x22, 0xe7, 0xad, 0x35, 0x85, 0xe2, 0xf9, 0x37, 0xe8, 0x1c, 0x75, 0xdf, 0x6e,
0x47, 0xf1, 0x1a, 0x71, 0x1d, 0x29, 0xc5, 0x89, 0x6f, 0xb7, 0x62, 0x0e, 0xaa, 0x18, 0xbe, 0x1b,
0xfc, 0x56, 0x3e, 0x4b, 0xc6, 0xd2, 0x79, 0x20, 0x9a, 0xdb, 0xc0, 0xfe, 0x78, 0xcd, 0x5a, 0xf4,
0x1f, 0xdd, 0xa8, 0x33, 0x88, 0x07, 0xc7, 0x31, 0xb1, 0x12, 0x10, 0x59, 0x27, 0x80, 0xec, 0x5f,
0x60, 0x51, 0x7f, 0xa9, 0x19, 0xb5, 0x4a, 0x0d, 0x2d, 0xe5, 0x7a, 0x9f, 0x93, 0xc9, 0x9c, 0xef,
0xa0, 0xe0, 0x3b, 0x4d, 0xae, 0x2a, 0xf5, 0xb0, 0xc8, 0xeb, 0xbb, 0x3c, 0x83, 0x53, 0x99, 0x61,
0x17, 0x2b, 0x04, 0x7e, 0xba, 0x77, 0xd6, 0x26, 0xe1, 0x69, 0x14, 0x63, 0x55, 0x21, 0x0c, 0x7d };
常量轮值表
与网上其他大大的不同，我采用了long long 存储，主要是为了防止超限。
// 常量轮值表
// 这里将原来的复制粘贴过来的轮常量类别改成了 long long
// 原因在于第8位超出int限，数据溢出
static const long long Rcon[10] = {
0x01000000, 0x02000000,
0x04000000, 0x08000000,
0x10000000, 0x20000000,
0x40000000, 0x80000000,
0x1b000000, 0x36000000
};
密钥拓展
密钥拓展的主要是需要先将现有的密钥进行分组，这里是分成了四组，然后进行40次拓展，我们假设的原始的分好组的占最终的 keys[0:3], 对于任意的 i >= 4, i < 44， 有：
k
e
y
s
[
i
]
=
{
k
e
y
s
[
i
?
1
]
⊕
k
e
y
s
[
i
?
4
]
,
i
%
4
!
=
0
T
(
k
e
y
s
[
i
?
1
]
)
⊕
k
e
y
s
[
i
?
4
]
,
i
%
4
=
=
0
keys[i] = \left\{ \begin{aligned} keys[i - 1] \oplus keys[i - 4], \qquad i \% 4 != 0 \\ T(keys[i-1]) \oplus keys[i - 4], \qquad i \% 4 == 0 \end{aligned} \right.
keys[i]={keys[i?1]⊕keys[i?4],i%4!=0T(keys[i?1])⊕keys[i?4],i%4==0?
T函数是一个复杂函数，涉及到字循环、字节代换、轮常量异或。
vector<string> extend_key(string& key)
{
// 先分组
vector<string> w_key = group_key(key);
for (int i = 0; i < 40; ++i)
{
string w = "";
int index = 4 + i;
string temp = w_key[index - 1];
// 4 的倍数的时候，需要调用T函数
if (index % 4 == 0)
{
temp = T(temp, index / 4 - 1);
}
w = string_xor(temp, w_key[index - 4]);
// 压入数组中
w_key.push_back(w);
}
return w_key;
}
轮密钥加
该部分其实在不同的轮数中，将密文或者明文与对应密钥部分做异或操作。我使用的是字符串存储，所以也做了字符串异或的操作。
// 一开始的先进行一次轮密钥加
vector<string> texts = group_key(plain_text);
for (int i = 0; i < 4; ++i)
{
texts[i] = string_xor(texts[i], keys[i]);
}
// 写一个字符串对应的16进制数异或的函数
string string_xor(string s1, string s2)
{
long long num1 = str_long(s1), num2 = str_long(s2);
long long num = num1 ^ num2;
// 再把数字转为字符串
string ans = int_to_chs(num);
// 不足8位的时候补位
while (ans.length() < 8)
{
ans = "0" + ans;
}
return ans;
}
字节代换
其实就是用当前的坐标找到S盒或者逆S盒对应的替换值，先将字符转成数值坐标，再利用坐标替换，然后再转换成数值即可。
// 字节代换 的实现
string wordbyte_sub(string& wi_1)
{
int len = wi_1.length();
string ans = "";
for (int i = 0; i < len; i += 2)
{
// 先获取当前的下标
int x = ch_to_int(wi_1[i]), y = ch_to_int(wi_1[i + 1]);
// 然后获取当前的数字
int num = S[x][y];
// 先将数值转化为字符串
string s = int_to_chs(num);
// 然后不足的话补0
while (s.length() < 2)
{
s = "0" + s;
}
// 加起来
ans += s;
}
return ans;
}
行移位
其实就是根据在矩阵中第几行，然后循环左移或者右移多少位。
由于我是采用字符串数组实现，所以这里的行移位其实对应到代码中其实是列移位。
// 行移位函数
vector<string> move_row(vector<string>& s)
{
vector<string> ans = s;
// 几个比较麻烦的地方
// 我的字符串数组其实每个是对应一列, 所以其实是对应到列进行移位
// 一行对应有两个16进制数，所以需要两个一起移动，其实就是对应两列一起动
for (int i = 0; i < 4; ++i)
{
int k = i * 2;
// 就原本矩阵对应的行移位，对于字符串数组就是列移位
for (int j = 0; j < 4; ++j)
{
ans[j][k] = s[(j + i) % 4][k];
ans[j][k + 1] = s[(j + i) % 4][k + 1];
}
}
return ans;
}
列混淆
这一部分需要将矩阵与另外一个矩阵相乘，不过这里有一个简单的转换公式。
上面是逆变换操作，则是分别对应 ×e，b，d，9.
和行移位类似，这里的列混淆在代码中其实就是一个行操作。
除此之外，在操作的时候，这些乘法不妨将其拆解成2的i次幂，这样我们可以在 GF（2^8）上直接进行移位操作。
// 接下来就是列混淆
vector<string> col_confuse(vector<string>& s)
{
vector<string> ans = s;
// 算法中对应的是列，这边就直接变成了行，即字符
for (int i = 0; i < 4; ++i)
{
// 需要先将字符串拆分成两两一组，共4组
auto temp = split_s(s[i]);
// 先转成数字
int s0 = str_long(temp[0]), s1 = str_long(temp[1]), s2 = str_long(temp[2]),
s3 = str_long(temp[3]);
// 计算混淆后的值
int t0 = power(s0) ^ power(s1) ^ s1 ^ s2 ^ s3;
int t1 = s0 ^ power(s1) ^ power(s2) ^ s2 ^ s3;
int t2 = s0 ^ s1 ^ power(s2) ^ s3 ^ power(s3);
int t3 = s0 ^ power(s0) ^ s1 ^ s2 ^ power(s3);
// 转换成字符串再相加
ans[i] = int_ch2(t0) + int_ch2(t1) + int_ch2(t2) + int_ch2(t3);
}
return ans;
}
完整源码（C++）
输入和输出
输入：
0
0123456789abcdeffedcba9876543210
0f1571c947d9e8590cb7add6af7f6798
输出：
ff0b844a0853bf7c6934ab4364148fb9
输入：
1
ff0b844a0853bf7c6934ab4364148fb9
0f1571c947d9e8590cb7add6af7f6798
输出：
0123456789abcdeffedcba9876543210
#include<iostream>
#include<string>
#include<vector>
using namespace std;
// 用于只选取低8bit
#define MOD 256
// s 盒， 用于密钥生成和加密时的字节代换
static const int S[16][16] = { 0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, 0xf2, 0x6b, 0x6f, 0xc5, 0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, 0xfe, 0xd7, 0xab, 0x76,
0xca, 0x82, 0xc9, 0x7d, 0xfa, 0x59, 0x47, 0xf0, 0xad, 0xd4, 0xa2, 0xaf, 0x9c, 0xa4, 0x72, 0xc0,
0xb7, 0xfd, 0x93, 0x26, 0x36, 0x3f, 0xf7, 0xcc, 0x34, 0xa5, 0xe5, 0xf1, 0x71, 0xd8, 0x31, 0x15,
0x04, 0xc7, 0x23, 0xc3, 0x18, 0x96, 0x05, 0x9a, 0x07, 0x12, 0x80, 0xe2, 0xeb, 0x27, 0xb2, 0x75,
0x09, 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a, 0xa0, 0x52, 0x3b, 0xd6, 0xb3, 0x29, 0xe3, 0x2f, 0x84,
0x53, 0xd1, 0x00, 0xed, 0x20, 0xfc, 0xb1, 0x5b, 0x6a, 0xcb, 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, 0xcf,
0xd0, 0xef, 0xaa, 0xfb, 0x43, 0x4d, 0x33, 0x85, 0x45, 0xf9, 0x02, 0x7f, 0x50, 0x3c, 0x9f, 0xa8,
0x51, 0xa3, 0x40, 0x8f, 0x92, 0x9d, 0x38, 0xf5, 0xbc, 0xb6, 0xda, 0x21, 0x10, 0xff, 0xf3, 0xd2,
0xcd, 0x0c, 0x13, 0xec, 0x5f, 0x97, 0x44, 0x17, 0xc4, 0xa7, 0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73,
0x60, 0x81, 0x4f, 0xdc, 0x22, 0x2a, 0x90, 0x88, 0x46, 0xee, 0xb8, 0x14, 0xde, 0x5e, 0x0b, 0xdb,
0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c, 0xc2, 0xd3, 0xac, 0x62, 0x91, 0x95, 0xe4, 0x79,
0xe7, 0xc8, 0x37, 0x6d, 0x8d, 0xd5, 0x4e, 0xa9, 0x6c, 0x56, 0xf4, 0xea, 0x65, 0x7a, 0xae, 0x08,
0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, 0xa6, 0xb4, 0xc6, 0xe8, 0xdd, 0x74, 0x1f, 0x4b, 0xbd, 0x8b, 0x8a,
0x70, 0x3e, 0xb5, 0x66, 0x48, 0x03, 0xf6, 0x0e, 0x61, 0x35, 0x57, 0xb9, 0x86, 0xc1, 0x1d, 0x9e,
0xe1, 0xf8, 0x98, 0x11, 0x69, 0xd9, 0x8e, 0x94, 0x9b, 0x1e, 0x87, 0xe9, 0xce, 0x55, 0x28, 0xdf,
0x8c, 0xa1, 0x89, 0x0d, 0xbf, 0xe6, 0x42, 0x68, 0x41, 0x99, 0x2d, 0x0f, 0xb0, 0x54, 0xbb, 0x16 };
// 逆s 盒， 用于在解密时的 逆字节变换
static const int S1[16][16] = { 0x52, 0x09, 0x6a, 0xd5, 0x30, 0x36, 0xa5, 0x38, 0xbf, 0x40, 0xa3, 0x9e, 0x81, 0xf3, 0xd7, 0xfb,
0x7c, 0xe3, 0x39, 0x82, 0x9b, 0x2f, 0xff, 0x87, 0x34, 0x8e, 0x43, 0x44, 0xc4, 0xde, 0xe9, 0xcb,
0x54, 0x7b, 0x94, 0x32, 0xa6, 0xc2, 0x23, 0x3d, 0xee, 0x4c, 0x95, 0x0b, 0x42, 0xfa, 0xc3, 0x4e,
0x08, 0x2e, 0xa1, 0x66, 0x28, 0xd9, 0x24, 0xb2, 0x76, 0x5b, 0xa2, 0x49, 0x6d, 0x8b, 0xd1, 0x25,
0x72, 0xf8, 0xf6, 0x64, 0x86, 0x68, 0x98, 0x16, 0xd4, 0xa4, 0x5c, 0xcc, 0x5d, 0x65, 0xb6, 0x92,
0x6c, 0x70, 0x48, 0x50, 0xfd, 0xed, 0xb9, 0xda, 0x5e, 0x15, 0x46, 0x57, 0xa7, 0x8d, 0x9d, 0x84,
0x90, 0xd8, 0xab, 0x00, 0x8c, 0xbc, 0xd3, 0x0a, 0xf7, 0xe4, 0x58, 0x05, 0xb8, 0xb3, 0x45, 0x06,
0xd0, 0x2c, 0x1e, 0x8f, 0xca, 0x3f, 0x0f, 0x02, 0xc1, 0xaf, 0xbd, 0x03, 0x01, 0x13, 0x8a, 0x6b,
0x3a, 0x91, 0x11, 0x41, 0x4f, 0x67, 0xdc, 0xea, 0x97, 0xf2, 0xcf, 0xce, 0xf0, 0xb4, 0xe6, 0x73,
0x96, 0xac, 0x74, 0x22, 0xe7, 0xad, 0x35, 0x85, 0xe2, 0xf9, 0x37, 0xe8, 0x1c, 0x75, 0xdf, 0x6e,
0x47, 0xf1, 0x1a, 0x71, 0x1d, 0x29, 0xc5, 0x89, 0x6f, 0xb7, 0x62, 0x0e, 0xaa, 0x18, 0xbe, 0x1b,
0xfc, 0x56, 0x3e, 0x4b, 0xc6, 0xd2, 0x79, 0x20, 0x9a, 0xdb, 0xc0, 0xfe, 0x78, 0xcd, 0x5a, 0xf4,
0x1f, 0xdd, 0xa8, 0x33, 0x88, 0x07, 0xc7, 0x31, 0xb1, 0x12, 0x10, 0x59, 0x27, 0x80, 0xec, 0x5f,
0x60, 0x51, 0x7f, 0xa9, 0x19, 0xb5, 0x4a, 0x0d, 0x2d, 0xe5, 0x7a, 0x9f, 0x93, 0xc9, 0x9c, 0xef,
0xa0, 0xe0, 0x3b, 0x4d, 0xae, 0x2a, 0xf5, 0xb0, 0xc8, 0xeb, 0xbb, 0x3c, 0x83, 0x53, 0x99, 0x61,
0x17, 0x2b, 0x04, 0x7e, 0xba, 0x77, 0xd6, 0x26, 0xe1, 0x69, 0x14, 0x63, 0x55, 0x21, 0x0c, 0x7d };
// 常量轮值表
// 这里将原来的复制粘贴过来的轮常量类别改成了 long long
// 原因在于第8位超出int限，数据溢出
static const long long Rcon[10] = {
0x01000000, 0x02000000,
0x04000000, 0x08000000,
0x10000000, 0x20000000,
0x40000000, 0x80000000,
0x1b000000, 0x36000000
};
// 将字符转整数
int ch_to_int(char& ch);
// 将16进制字符串转为数字
long long str_long(string str)
{
long long ans = 0;
// 遍历字符串，将字符串的内容变为16进制数字
for (char ch : str)
{
ans = ans * 16 + ch_to_int(ch);
}
return ans;
}
// 出于方便考虑，还是写一个字符转成数字的函数
int ch_to_int(char& ch)
{
int ans = 0;
// 数字的时候
if (ch >= 48 && ch <= 57)
{
ans = ch - '0';
}
// 16进制中a 到 f
else if (ch >= 'a' && ch <= 'f')
{
ans = ch - 'a' + 10;
}
// 这个在本实验的样例中，其实不会运行到的
else if (ch >= 'A' && ch <= 'F')
{
ans = ch - 'A' + 10;
}
return ans;
}
// 然后再写一个数字转16进制字符串的吧，只考虑小写吧
// 针对的其实是单个16进制
string int_to_chs(long long num)
{
string ans = "";
while (num)
{
// 通过位运算得到低四位
int x = num & 0xf;
// 根据数值进行区分
if (x <= 9)
{
char ch = x + '0';
ans += ch;
}
else
{
char ch = x - 10 + 'a';
ans += ch;
}
// 移位，其实相当于 / 16
num >>= 4;
}
// 然后反转字符
int left = 0, right = ans.length() - 1;
// 双指针实现字符串反转
while (left < right)
{
char ch = ans[left];
ans[left] = ans[right];
ans[right] = ch;
left++;
right--;
}
return ans;
}
// 得先分组
vector<string> group_key(string& key)
{
// 四组
vector<string> groups(4);
// 初始下标
int index = 0;
// 分组
for (string& g : groups)
{
g = key.substr(index, 8);
index += 8;
}
return groups;
}
// 字节循环
string loop_wordbyte(string& wi_1);
// 字节代换
string wordbyte_sub(string& wi_1);
// 轮常量异或
string xor_with_const(string& wi_1, int rounds);
// 拓展的时候，下标为4 的倍数时，需要麻烦一些，需要使用一个变换的T函数
string T(string& wi_1, int round)
{
// T 变换由3部分构成， 所以可以再写三个函数
// 先进行字循环
string ans = loop_wordbyte(wi_1);
// 然后字节代换
ans = wordbyte_sub(ans);
// 最后是轮异或
ans = xor_with_const(ans, round);
return ans;
}
// 字节循环实现
string loop_wordbyte(string& wi_1)
{
string ans = wi_1.substr(2) + wi_1.substr(0, 2);
return ans;
}
// 字节代换 的实现
string wordbyte_sub(string& wi_1)
{
int len = wi_1.length();
string ans = "";
for (int i = 0; i < len; i += 2)
{
// 先获取当前的下标
int x = ch_to_int(wi_1[i]), y = ch_to_int(wi_1[i + 1]);
// 然后获取当前的数字
int num = S[x][y];
// 先将数值转化为字符串
string s = int_to_chs(num);
// 然后不足的话补0
while (s.length() < 2)
{
s = "0" + s;
}
// 加起来
ans += s;
}
return ans;
}
// 轮常量异或
string xor_with_const(string& wi_1, int rounds)
{
// 先将字符串变为数字
long long num = 0;
for (int i = 0; i < 8; ++i)
{
char ch = wi_1[i];
num = num * 16 + ch_to_int(ch);
}
// 计算异或结果
num ^= Rcon[rounds];
// 将num转化为字符串
string res = int_to_chs(num);
while (res.length() < 8)
{
res = "0" + res;
}
return res;
}
// 写一个字符串对应的16进制数异或的函数
string string_xor(string s1, string s2)
{
long long num1 = str_long(s1), num2 = str_long(s2);
long long num = num1 ^ num2;
// 再把数字转为字符串
string ans = int_to_chs(num);
// 不足8位的时候补位
while (ans.length() < 8)
{
ans = "0" + ans;
}
return ans;
}
// 先要进行密钥的拓展
vector<string> extend_key(string& key)
{
// 先分组
vector<string> w_key = group_key(key);
for (int i = 0; i < 40; ++i)
{
string w = "";
int index = 4 + i;
string temp = w_key[index - 1];
// 4 的倍数的时候，需要调用T函数
if (index % 4 == 0)
{
temp = T(temp, index / 4 - 1);
}
w = string_xor(temp, w_key[index - 4]);
// 压入数组中
w_key.push_back(w);
}
return w_key;
}
// 行移位函数
vector<string> move_row(vector<string>& s)
{
vector<string> ans = s;
// 几个比较麻烦的地方
// 我的字符串数组其实每个是对应一列, 所以其实是对应到列进行移位
// 一行对应有两个16进制数，所以需要两个一起移动，其实就是对应两列一起动
for (int i = 0; i < 4; ++i)
{
int k = i * 2;
// 就原本矩阵对应的行移位，对于字符串数组就是列移位
for (int j = 0; j < 4; ++j)
{
ans[j][k] = s[(j + i) % 4][k];
ans[j][k + 1] = s[(j + i) % 4][k + 1];
}
}
return ans;
}
// 写个函数分割一下字符串，长度为8变4组
vector<string> split_s(string& s)
{
vector<string> ans;
for (int i = 0; i < s.length(); i += 2)
{
ans.emplace_back(s.substr(i, 2));
}
return ans;
}
string int_ch2(int num)
{
string ans = int_to_chs(num);
// 这里是为了确保只有两位字符串
while(ans.length() < 2)
{
ans = "0" + ans;
}
return ans;
}
// 移位函数，其实就是在GF（2^8）的范围进行幂次操作
int power(int num)
{
int ans = (num << 1) % MOD;
// 如果第七位是1
if (num & 0x80)
{
ans ^= 0x1b;
}
return ans;
}
// 接下来就是列混淆
vector<string> col_confuse(vector<string>& s)
{
vector<string> ans = s;
// 算法中对应的是列，这边就直接变成了行，即字符
for (int i = 0; i < 4; ++i)
{
// 需要先将字符串拆分成两两一组，共4组
auto temp = split_s(s[i]);
// 先转成数字
int s0 = str_long(temp[0]), s1 = str_long(temp[1]), s2 = str_long(temp[2]),
s3 = str_long(temp[3]);
// 计算混淆后的值
int t0 = power(s0) ^ power(s1) ^ s1 ^ s2 ^ s3;
int t1 = s0 ^ power(s1) ^ power(s2) ^ s2 ^ s3;
int t2 = s0 ^ s1 ^ power(s2) ^ s3 ^ power(s3);
int t3 = s0 ^ power(s0) ^ s1 ^ s2 ^ power(s3);
// 转换成字符串再相加
ans[i] = int_ch2(t0) + int_ch2(t1) + int_ch2(t2) + int_ch2(t3);
}
return ans;
}
// 写一个测试函数
void show(vector<string>& text)
{
for (auto t : text)
{
cout << t;
}
cout << endl;
}
// 先定义一个 aes 加密函数
void aes(string& plain_text, string& key)
{
// 先拓展密钥
vector<string> keys = extend_key(key);
int index = 0;
// 然后就是10轮迭代
// 需要知道明文其实是32位，所以需要搞4下
// 可以先把明文也分组
// 一开始的先进行一次轮密钥加
vector<string> texts = group_key(plain_text);
for (int i = 0; i < 4; ++i)
{
texts[i] = string_xor(texts[i], keys[i]);
}
index += 4;
// 然后十次迭代
for (int k = 0; k < 10; ++k)
{
for (int j = 0; j < 4; ++j)
{
// 先是字节代换
texts[j] = wordbyte_sub(texts[j]);
}
// 然后是行移位
texts = move_row(texts);
if (k < 9)
{
// 再来列混淆
texts = col_confuse(texts);
}
// 轮密钥加
for (int i = 0; i < 4; ++i)
{
texts[i] = string_xor(texts[i], keys[i + index]);
}
index += 4;
}
string ans = "";
for (int i = 0; i < 4; ++i)
{
ans += texts[i];
}
cout << ans << endl;
}
// 行移位的逆操作函数
vector<string> in_move_row(vector<string>& s)
{
vector<string> ans = s;
// 现在变成了逆操作
for (int i = 0; i < 4; ++i)
{
int k = i * 2;
// 就原本矩阵对应的行移位，对于字符串数组就是列移位
for (int j = 0; j < 4; ++j)
{
ans[j][k] = s[(j - i + 4) % 4][k];
ans[j][k + 1] = s[(j - i + 4) % 4][k + 1];
}
}
return ans;
}
// 逆字节代换
string in_wordbyte_sub(string& wi_1)
{
int len = wi_1.length();
string ans = "";
for (int i = 0; i < len; i += 2)
{
// 先获取当前的下标
int x = ch_to_int(wi_1[i]), y = ch_to_int(wi_1[i + 1]);
// 然后获取当前的数字
int num = S1[x][y];
// 先将数值转化为字符串
string s = int_to_chs(num);
// 然后不足的话补0
while (s.length() < 2)
{
s = "0" + s;
}
// 加起来
ans += s;
}
return ans;
}
// 列混淆的逆变换
vector<string> in_col_confuse(vector<string>& s)
{
// 逆变换其实原来的变换矩阵的逆矩阵，对应0xe, 0xb, 0xd, 0x9
// 4 列
vector<string> ans = s;
for (int i = 0; i < 4; ++i)
{
// 先分割成4个两位数字
auto temp = split_s(s[i]);
// 转换成数字
vector<int> nums(4);
for (int j = 0; j < 4; ++j)
{
nums[j] = str_long(temp[j]);
}
vector<int> t4(4, 0);
for (int j = 0; j < 4; ++j)
{
for (int t = 0; t < 4; ++t)
{
int k = (t - j + 4) % 4;
t4[j] ^= power(power(power(nums[t]))); // 表示8
switch (k)
{
case 0: // 0xe = 8 + 4 + 2
{
t4[j] ^= power(power(nums[t])) ^ power(nums[t]);
break;
}
case 1: // 0xb = 8 + 2 + 1
{
t4[j] ^= power(nums[t]) ^ nums[t];
break;
}
case 2: // 0xd = 8 + 4 + 1
{
t4[j] ^= power(power(nums[t])) ^ nums[t];
break;
}
default: // 0x9 = 8 + 1
t4[j] ^= nums[t];
break;
}
}
}
// 将数字转换成字符串存储
ans[i] = int_ch2(t4[0]) + int_ch2(t4[1]) + int_ch2(t4[2]) + int_ch2(t4[3]);
}
return ans;
}
// 现在写一个 aes 解密函数
void in_aes(string& text, string& key)
{
// 先拓展密钥
auto keys = extend_key(key);
// 初始下标
int index = 40;
// 对密文分组
vector<string> texts = group_key(text);
// 一开始先进行依次轮密钥加
for (int i = 0; i < 4; ++i)
{
texts[i] = string_xor(texts[i], keys[index + i]);
}
index -= 4;
// 然后十次迭代
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
// 先逆行移位
texts = in_move_row(texts);
// 然后是字节代换逆操作
for (int j = 0; j < 4; ++j)
{
texts[j] = in_wordbyte_sub(texts[j]);
}
// 轮密钥加
for (int j = 0; j < 4; ++j)
{
texts[j] = string_xor(texts[j], keys[index + j]);
}
// 除了最后一轮，都要列混淆逆变换
if (i < 9)
{
texts = in_col_confuse(texts);
}
index -= 4;
}
show(texts);
}
int main(int argc, char** argv)
{
int op;
cin >> op; // 输入标识符
string text, key;
cin >> text >> key; // 输入明文或者密文， 以及初始密钥
// 根据标识符，决定加密还是解密
if (op == 0)
{
aes(text, key);
}
else
{
in_aes(text, key);
}
return 0;
}
优化
对于这份代码我深知其实存在不少可以优化的地方。
比如：
- 字符串数组的存储并不方便，需要频繁切换，可以直接采用整数存储，最终输出时再用字符串输出。
- 用于采用矩阵存储，其实可以将轮常量只选取前两位即可。
- 可以在迭代时，完成对密钥的拓展，这样可以节省空间，当然只是对于加密，解密还是要先拓展。
后话
学会了吗？没学会就码起来，别老是当cv战神。
