AES-128 实现

本仓库存放的是中山大学计算机学院 2024 年秋季学期现代密码学实验课程实验 3-1/3-2 有限域运算的 C 语言实现。详细的代码讲解请移步我的博客：AES-128 实现

实验描述

实现 AES-128 各个工作模式的加密和解密，包括 ECB、CBC、CFB、OFB、CTR 五种模式。

输入输出

实验的输入输出均为二进制数据。

输入：

实现 AES-128 各个工作模式的加密和解密。

输入数据由以下部分组成：

1. 一个uint8_t，表示工作模式和加密/解密。最高位为 0 表示加密，1 表示解密，具体定义如下：
   • 0x00/0x80 表示 ECB 模式加密/解密
   • 0x01/0x81 表示 CBC 模式加密/解密
   • 0x02/0x82 表示 CFB 模式加密/解密
   • 0x03/0x83 表示 OFB 模式加密/解密
   • 0x04/0x84 表示 CTR 模式加密/解密
2. 一个uint8_t[16]，表示 128 位的密钥。
3. 一个uint8_t[16]，表示 128 位的 IV。即使当前的工作模式不需要 IV，输入数据仍然会包含这一部分，忽略即可。
4. 一个uint32_t，表示明文/密文的长度。
5. uint8_t[]，表示明文/密文的内容。

例如：

00
2B 7E 15 16 28 AE D2 A6 AB F7 15 88 09 CF 4F 3C
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F
40 00 00 00
6B C1 BE E2 2E 40 9F 96 E9 3D 7E 11 73 93 17 2A
AE 2D 8A 57 1E 03 AC 9C 9E B7 6F AC 45 AF 8E 51
30 C8 1C 46 A3 5C E4 11 E5 FB C1 19 1A 0A 52 EF
F6 9F 24 45 DF 4F 9B 17 AD 2B 41 7B E6 6C 37 10

注：为了方便查看，这里以 16 进制书写，且加入了换行。实际输入文件是二进制数据，且除了数据外，不存在换行符等。

输出：

以二进制形式输出加密/解密得到的密文/明文。

上面的样例对应的输出是：

3A D7 7B B4 0D 7A 36 60 A8 9E CA F3 24 66 EF 97
F5 D3 D5 85 03 B9 69 9D E7 85 89 5A 96 FD BA AF
43 B1 CD 7F 59 8E CE 23 88 1B 00 E3 ED 03 06 88
7B 0C 78 5E 27 E8 AD 3F 82 23 20 71 04 72 5D D4
A2 54 BE 88 E0 37 DD D9 D7 9F B6 41 1C 3F 9D F8

样例

所有的样例输入输出都在sample文件夹下，以二进制文件的形式给出。样例主要来源于 NIST 的文档 Recommendation for Block Cipher Modes of Operation的附录 F，以及 NIST 的 AES 标准文档 FIPS 197。

后一个文档对每个密钥长度给出一个分组的数据，提供了每一轮各步骤的结果，便于调试对照。

特别要说明，CTR 模式的样例，以 IV 作为计数器初始值，而且是以大端序给出的。查看原文档即可发现这一点。

代码

有两份代码：

• aes.c：实现了 AES-128 CBC 模式的加密和解密。里面包含普通版本和 SIMD 加速版本。
• aes_all.c：基于 SIMD 加速版本，实现了 AES-128 的全部五种模式的加密和解密。

使用到的库

• <stdio.h>：标准输入输出库，用于文件操作和打印输出。
• <stdint.h>：标准整数类型库，定义了固定宽度的整数类型，如本代码中频繁使用的 uint32_t 和 uint8_t。
• <emmintrin.h>：包含了 Intel 的 SIMD 指令集（SSE2）的头文件，用于加速计算。
• <immintrin.h>：包含了 Intel 的高级 SIMD 指令集（如 AVX）的头文件，用于加速计算。

常量

• RCON：AES 密钥扩展中的轮常量。
• SBOX：AES 加密中的 S 盒，用于字节替代。
• INV_SBOX：AES 解密中的逆 S 盒，用于字节替代。