AES加密算法如何用AVR汇编语言实现

AES作为新一代的数据文件加密标准汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点。AES加密算法设计有三个密钥长度：128，192，256位，相对而言，AES加密算法的128密钥比DES的56密钥强10的21次方倍。AES加密算法主要包括三个方面：轮变化、圈数和密钥扩展。下面我们就已以128位为例，结合AVR汇编语言，来实现高级数据加密算法AES。

一、AES加密算法、解密算法原理和AVR实现

AES加密算法是分组密钥，算法输入128位数据，密钥长度也是128位。用Nr表示对一个数据分组加密的轮数(加密轮数与密钥长度的关系如表1所列)。每一轮都需要一个与输入分组具有相同长度的扩展密钥Expandedkey(i)的参与。由于外部输入的加密密钥K长度有限，所以在算法中要用一个密钥扩展程序(Keyexpansion)把外部密钥K扩展成更长的比特串，以生成各轮的加密和解密密钥。

1、 圈变化

AES加密算法每一个圈变换由以下三个层组成：

非线性层———进行Subbyte变换；

线行混合层———进行ShiftRow和MixColumn运算；

密钥加层———进行AddRoundKey运算。

①Subbyte变换是作用在状态中每个字节上的一种非线性字节转换，可以通过计算出来的S盒进行映射。

Schange：

ldizh,＄01;

将指针指向S盒的首地址movzl,r2;

将要查找的数据作为指针低地址ldtemp,z+;

取出这个对应的数据movr2,temp;

交换数据完成查表

…

ret

②ShiftRow是一个字节换位。它将状态中的行按照不同的偏移量进行循环移位,而这个偏移量也是根据Nb的不同而选择的。

shiftrow：;这是一个字节换位的子程序

movtemp,r3;因为是4×4

movr3,r7;r2r6r10r14r2r6r10r14

movr7,r11;r3r7r11r15r7r11r15r3

movr11,r15;r4r8r12r17r12r17r4r8

movr15,temp;r5r9r13r18r18r5r9r13

movtemp,r4

movtemp1,r8

movr4,r12

movr8,r17

movr12,temp

movr17,temp1

movtemp,r18

movr18,r13

movr13,r9

movr9,r5

movr5,temp

ret

③在MixColumn变换中，把状态中的每一列看作GF(28)上的多项式a(x)与固定多项式c(x)相乘的结果。

b(x)=c(x)×a(x)的系数这样计算：×运算不是普通的乘法运算，而是特殊的运算，即

b(x)=c(x)_a(x)(modx4+1)

对于这个运算

b0=02。a0+03。a1+a2+a3

令xtime(a0)=02。a0

其中，符号“。”表示模一个八次不可约多项式的同余乘法。

movtemp,a0;__这是一个mixcolimn子程序

rcallxtime;调用xtime程序

mova0,temp

movtemp,a1

rcallxtime

eora0,a1

eora0,tem

peora0,a2

eora0,a3;

完成b(x)的计算…

xtime:;这是一个子程序

lditemp1,＄1blsltempbrcsnext1;

如果最高位是1,则转移next:ret;

否则什么也不变化

next1:eortemp,temp1

rjmpnext

对于逆变化，其矩阵C要改变成相应的D，即b(x)=d(x)×a(x)。

④密钥加层运算(addround)是将圈密钥状态中的对应字节按位“异或”。

⑤根据线性变化的性质，解密运算是加密变化的逆变化。

2、轮变化

对不同的分组长度，其对应的轮变化次数是不同的，如表1所列。

3、 密钥扩展

AES加密算法利用外部输入密钥K(密钥串的字数为Nk)，通过密钥的扩展程序得到共计4(Nr+1)字的扩展密钥。它涉及如下三个模块：

①位置变换(rotword)———把一个4字节的序列[A,B,C,D]变化成[B,C,D,A];

②S盒变换(subword)———对一个4字节进行S盒代替;

③变换Rcon[i]———Rcon[i]表示32位比特字[xi-1,00,00,00]。

这里的x是(02),如Rcon[1]=[01000000];Rcon[2]=[02000000];Rcon[3]=[04000000]……

扩展密钥的生成：扩展密钥的前Nk个字就是外部密钥K；以后的字W[[i]]等于它前一个字W[[i-1]]与前第Nk个字W[[i-Nk]]的“异或”，即W[[i]]=W[[i-1]]__W[[i-Nk]]。但是若i为Nk的倍数，则W[i]=W[i-Nk]×Subword(Rotword(W[[i-1]]))×Rcon[i/Nk]。

程序执行的时候，主要调用以上几个子程序，具体实现如下:

Keyexpansion:

rcallrotwoed

rcallsubword

rcallRcon

…

AES加密算法的加密与解密流程如图1所示。

二、AES加密算法、解密算法的优化

由AES加密算法的流程中可以清楚地看到，整个加密算法中程序耗时最多的就是圈变化部分，因此对于加密算法的优化也就在此；而圈变化部分可以优化的也就是列变化。因为列变化是一个模乘同余规则。

由于AES加密和解密是不对称的，如果不对其进行优化，会使加密算法的解密速度远远大于加密的速度。

①加密算法优化

对列变换(Mixcolumn)可以通过调用xtime子程序进行优化。具体算法实现如下：

t=a[0]+a[1]]+a[2]]+a[3];

u=a[0];

v=a[0]+a[1];

v=xtime(v);

a[0]=a[0]+v+t;

v=a[1]+a[2];

v=xtime(v);

a[1]=a[1]+v+t;

v=a[1]+a[3];

v=xtime(v);

a[2]=a[2]+v+t;

v=a[3]+u;

v=xtime(v);

a[3]=a[3]+v+t;

另一种有效的优化方法就是离线构造一个表格,即列变化表格。这样只要通过查表的方式就可以提高加密速度。

②解密算法的优化

由于解密的列变换的系数分别是09、0E、0B和0D。在AVR单片机上实现以上的乘法显然是需要很多的时间，从而导致了解密的性能降低。

优化方法一：对列变化进行分解使倍乘次数降低。仔细研究解密矩阵的系数，不难发现解密矩阵和加密矩阵有着一定的联系，即解密矩阵等于加密矩阵和一个矩阵的相乘。通过这样的联系，就可以对算法进行优化：

这样一来，只用几个简单的“异或”就可以实现列变化，使倍乘的次数降低，提高解密的速度。

优化方法二：构造表格。

同加密构造方法一样，可以构造四个表格T[ea]=e×a;T[9a]=9×a;T[9a]=9×a;T[ba]=b×a。这样一来，也只需要进行查表和简单的异或就可以完成解密的任务。虽然这种方法将增加额外的开销，但是它却是一种有效的方法。

三、AES加密算法加密与解密的实验仿真

根据以上实验步骤和优化方法得出表2、3所列实验结果。

设主密钥为：000102030405060708090a0b0c0d0e0f(128bit)。

加密明文：00112233445566778899AABBCCDDEEFF。

密文：69C4E0D86A7B0430D8CDB78070B4C55A。

解密密文：69C4E0D86A7B0430D8CDB78070B4C55A。

明文：00112233445566778899AABBCCDDEEFF。

总之，AES加密算法是一个非对称密码体制，它的解密要比加密复杂和费时。解密优化算法没有增加存储空间的基础上，以列变化为基础进行处理，程序比原始的要小，而且节约了时间。解密优化方法速度最快，效率最高，但要增加系统的存储空间，因此它的程序也是最大的一个。

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