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网络信息安全实验报告

实验二：密码学实验(1)

【实验目的】

1、了解对称加密和非对称加密的原理。

2、通过编程分别实现一种对称加密和非对称加密算法。

【实验内容】

使用python编程实现对称加密算法AES【实验环境】

操作系统：Windows+ubuntuwsl2;编程环境：Python3.8【实验步骤】

1、对称加密算法AES的实现

1.1AES的基本原理

AES是分组密码，分组密码也就是把明文分成一组一组的，每组长度相等，每次加密一组数据，直到加密完整个明文。其中在AES-128下，分组的长度只能为128位。所以一次只能加密128位明文，即16个字节，相应的密钥也是16个字节。

AES的基本算法是对明文进行轮密钥加；然后再做字节代换、行移位、列混合、轮密钥加操作，重复十轮，其中最后一轮不进行列混合，最终得到密文。AES的解密过程为：先对密文进行轮密钥加，然后再做轮密钥加、逆列混合、逆行移位、逆字节代换操作，重复十轮，其中最后一轮不进行列混合，最终得到明文。整个过程明文和密钥都以4*4的矩阵形式进行操作。

1.2AES算法的基本流程

1.给定一个明文x和密钥key,将State初始化为x,同时产生11个轮密钥，并进行AddRoundKey操作，即将RoundKey与State异或，然后进行10轮迭代。

2.对前9轮中的每一轮，用S盒对State进行一次代换操作SubBytes;对State做一次行移位ShiftRows;再对State做一次列混合MixColumns;然后进行AddRoundKey操作。

3.对State依次进行操作SubBytes,ShiftRows,AddRoundKey。

4.将State定义为密文y。

AES算法的基本流程如下图所示：

明文明文

明文

轮密钥加W[0,3]轮密钥加

轮密钥加

W[0,3]

第10轮

第10轮

字节代换行移位

字节代换

行移位

第1轮逆行移位

第1轮

列混合逆列混合

列混合

第9轮轮密钥加W[4.7]轮密钥加

第9轮

个

逆字节代换

逆行移位

字节代换

第10轮第9轮

第10轮第9轮

列混合轮密钥加

列混合

轮密钥加

第1轮W[36,39]轮密钥加

第1轮

W[36,39]

个

字节代换行移位

字节代换

行移位

轮密钥加

个

逆行移位

W[40,43]轮密钥加

W[40,43]

个

密文密文

密文

1.3AES的代码实现

1.3.1轮密钥生成

首先是根据128位的密钥，生成11个轮密钥，密钥的产生过程如下所示：

①初始化密钥数组w。w[0]-key前32位，w[1]-key第33～64位，w[2]←key第65～96位，w[3]+key第97～128位，w[4:44]-0。

②进行如下伪代码描述的迭代。

③将w数组以四个一组合并即可得到11个轮密钥

fori+4to43

tempw[i-1]

ifi=0(mod4)

thentempSubWord(RotWord(temp))田Rcon[i/4]

w[i]+w[i-4]田temp

代码实现如下图所示，这里主要是采用2个函数，RotWord用于循环左移，subword用于s盒替换，最后是生成轮密钥，采用上述的算法。

#将4字节的数循环左移8位

#将4字节的数循环左移8位

defrot_word(self,byte4_block):

EQ\*jc3\*hps25\o\al(\s\up11(#),r)e根tEQ\*jc3\*hps25\o\al(\s\up11(据),ur)EQ\*jc3\*hps25\o\al(\s\up11(p),n)EQ\*jc3\*hps25\o\al(\s\up11(on),yte)_lEQ\*jc3\*hps25\o\al(\s\up11(点),o)c，kO要x前fffEQ\*jc3\*hps25\o\al(\s\up11(32),fff))位8)|(byte4_block24)

#S

#S盒替换

defsub_word(self,_4byte_block):

#S盒替换，_4byte_block为一个4