AES密码算法的C语言实现（带测试）

一、AES算法原理

AES(Advanced Encryption Standard)是一种对称分组密码算法，由美国国家标准与技术研究院(NIST)于2001年正式采用。它基于Rijndael算法设计，支持128、192和256位密钥长度，本文实现的是128位版本。AES算法采用替换-置换网络(SPN)结构，通过多轮加密操作将明文转换为密文，每轮操作包括字节替换、行移位、列混淆和轮密钥加四个步骤。

AES算法的核心在于其轮函数的设计。算法初始和第一组轮密钥（主密钥）异或后，进行10轮迭代操作，最后一轮省略列混淆步骤。字节替换(SubBytes)使用预先计算的S盒进行非线性替换，提供算法的混淆特性；行移位(ShiftRows)对状态矩阵的行进行循环移位，增加扩散性；列混淆(MixColumns)通过有限域上的矩阵乘法进一步扩散数据；轮密钥加(AddRoundKey)则将状态与扩展密钥进行简单的异或操作。这些操作的组合使得AES具有很高的安全性。

密钥扩展是AES算法的另一个重要组成部分。它将初始的128位主密钥扩展为11个128位的轮密钥，共176字节。扩展过程中使用了S盒替换、轮常数异或等操作，确保生成的轮密钥具有足够的随机性。密钥扩展算法采用递归方式，每4字节的字基于前一个字和前第4个字生成，对于每轮的第一个字还进行额外的变换操作。这种设计既保证了密钥材料的充分扩散，又保持了算法的高效性。

AES的安全强度来自于其精心设计的轮函数和密钥扩展算法。经过10轮变换后，即使最先进的密码分析技术也难以在合理时间内破解。算法的安全性建立在严格的数学基础之上，特别是有限域GF(2^8)上的运算提供了良好的代数结构。AES的执行效率也很高，适合在各种平台上实现，从嵌入式系统到高性能服务器都能高效运行，这使其成为当今使用最广泛的对称加密算法之一。

二、C语言实现

1. 基本运算函数

实现中首先定义了两个内联函数gm2和gm3用于有限域GF(2^8)上的乘法运算。gm2函数实现乘以2的运算，当最高位为1时需异或0x1b进行模约简；gm3函数则通过组合gm2和异或操作实现乘以3的运算。这两个函数是列混淆操作的基础，它们的高效实现直接影响整个算法的性能。使用内联函数可以避免函数调用开销，同时保持代码的可读性。这种设计体现了在密码实现中平衡安全、性能和可维护性的考虑。

2. 核心变换函数

核心变换函数包括sub_bytes、shift_rows、mix_columns和add_round_key四个函数，分别对应AES的四个基本操作。sub_bytes通过查表(S盒)实现字节替换，S盒是预先计算好的256字节数组，提供非线性变换；shift_rows对状态矩阵的后三行进行不同偏移量的循环左移；mix_columns利用gm2和gm3函数实现列混淆，这是算法中最复杂的数学运算；add_round_key则简单地将状态与轮密钥按位异或。这些函数共同构成了AES的轮函数，通过多轮迭代实现数据的充分混淆和扩散。

3. 密钥扩展与加密函数

key_expansion函数将16字节的主密钥扩展为11个轮密钥(共176字节)，使用了轮常数和S盒变换来增强密钥材料的随机性。encrypt函数则协调整个加密流程：初始轮密钥加、9轮完整变换和最后一轮简化变换。该函数通过状态数组暂存中间结果，依次调用各变换函数，最后输出密文。这种模块化设计使得代码结构清晰，便于验证和调试，同时也方便未来扩展支持解密功能或其他密钥长度。

完整代码如下：

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>static const uint8_t AES_SBOX[256] = {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
};static inline uint8_t gm2(uint8_t a) {uint8_t t0 = a << 1;if (a >> 7 == 1)return t0 ^ 0x1b;return t0;
}static inline uint8_t gm3(uint8_t a) {return gm2(a) ^ a;
}void sub_bytes(uint8_t state[16]) {for (uint8_t i = 0; i < 16; i++) {state[i] = AES_SBOX[state[i]];}
}void shift_rows(uint8_t state[16]) {uint8_t temp0, temp1;temp0 = state[1];state[1] = state[5];state[5] = state[9];state[9] = state[13];state[13] = temp0;temp0 = state[2];temp1 = state[6];state[2] = state[10];state[6] = state[14];state[10] = temp0;state[14] = temp1;temp0 = state[15];state[15] = state[11];state[11] = state[7];state[7] = state[3];state[3] = temp0;
}void mix_columns(uint8_t state[16]) {uint8_t i, j, col[4], res[4];for (j = 0; j < 4; j++) {for (i = 0; i < 4; i++)col[i] = state[i + 4 * j];res[0] = gm2(col[0]) ^ gm3(col[1]) ^ col[2] ^ col[3];res[1] = col[0] ^ gm2(col[1]) ^ gm3(col[2]) ^ col[3];res[2] = col[0] ^ col[1] ^ gm2(col[2]) ^ gm3(col[3]);res[3] = gm3(col[0]) ^ col[1] ^ col[2] ^ gm2(col[3]);for (i = 0; i < 4; i++)state[i + 4 * j] = res[i];}
}void add_round_key(uint8_t state[16], const uint8_t round_key[16]) {for (uint8_t i = 0; i < 16; i++) {state[i] ^= round_key[i];}
}void key_expansion(const uint8_t main_key[16], uint8_t *round_key) {uint8_t RC[11] = {0x00, 0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x1B, 0x36};uint8_t tmp[4];for (uint8_t i = 0; i < 16; i++)round_key[i] = main_key[i];for (uint8_t i = 4; i < 44; i++) {tmp[0] = round_key[4 * (i - 1) + 0];tmp[1] = round_key[4 * (i - 1) + 1];tmp[2] = round_key[4 * (i - 1) + 2];tmp[3] = round_key[4 * (i - 1) + 3];if (i % 4 == 0) {uint8_t t[4] = {tmp[0], tmp[1], tmp[2], tmp[3]};tmp[0] = AES_SBOX[t[1]] ^ RC[i / 4];tmp[1] = AES_SBOX[t[2]];tmp[2] = AES_SBOX[t[3]];tmp[3] = AES_SBOX[t[0]];}round_key[4 * i + 0] = round_key[4 * (i - 4) + 0] ^ tmp[0];round_key[4 * i + 1] = round_key[4 * (i - 4) + 1] ^ tmp[1];round_key[4 * i + 2] = round_key[4 * (i - 4) + 2] ^ tmp[2];round_key[4 * i + 3] = round_key[4 * (i - 4) + 3] ^ tmp[3];}
}void encrypt(const uint8_t *plain, uint8_t *round_key, uint8_t *cipher) {uint8_t state[16];for (uint8_t i = 0; i < 16; i++) {state[i] = plain[i];}for (uint8_t round = 0; round < 10; round++) {add_round_key(state, round_key + 16 * round);sub_bytes(state);shift_rows(state);if (round != 9)mix_columns(state);}add_round_key(state, round_key + 160);for (uint8_t i = 0; i < 16; i++) {cipher[i] = state[i];}
}

三、实验结果

为了验证函数的准确性，我们编写了下面的测试代码，同时给出了标准测试向量和运行结果，如下图所示。

int main() {uint8_t plain[16] = {0x00, 0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55, 0x66, 0x77, 0x88, 0x99, 0xaa, 0xbb, 0xcc, 0xdd, 0xee, 0xff};uint8_t key[16] = {0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, 0x09, 0x0a, 0x0b, 0x0c, 0x0d, 0x0e, 0x0f};uint8_t expect_cipher[16] = {0x69, 0xc4, 0xe0, 0xd8, 0x6a, 0x7b, 0x04, 0x30, 0xd8, 0xcd, 0xb7, 0x80, 0x70, 0xb4, 0xc5, 0x5a};uint8_t cipher[16] = {0};uint8_t round_key[176] = {0};printf("plain: ");for (int i = 0; i < 16; i++)printf("%02x ", plain[i]);printf("\n");printf("key: ");for (int i = 0; i < 16; i++)printf("%02x ", key[i]);printf("\n");key_expansion(key, round_key);encrypt(plain, round_key, cipher);uint8_t pass = 1;printf("cipher: ");for (int i = 0; i < 16; i++) {printf("%02x ", cipher[i]);if (cipher[i] != expect_cipher[i]) pass = 0;}printf("\n");if (pass) printf("[PASS] Result matches expected value.\n");else printf("[FAIL] Mismatch with expected value.\n");return 0;
}

 

测试代码使用标准测试向量验证AES实现的正确性。main函数中定义了明文{0x00,0x11,...,0xff}和密钥{0x00,0x01,...,0x0f}，预期密文为{0x69,0xc4,...,0x5a}。程序首先打印输入明文和密钥，然后执行密钥扩展和加密操作，输出得到的密文并与预期值比较。测试结果显示实现正确，输出密文与标准测试向量完全一致，验证了代码的正确性。这种基于标准测试向量的验证方法是密码实现验证的最佳实践，确保算法实现符合规范要求。

四、总结

本文全面介绍了AES加密算法的原理、C语言实现及验证过程。AES作为一种广泛使用的对称加密标准，其安全性建立在多轮替换-置换网络和严密的密钥扩展机制之上，通过字节替换、行移位、列混淆和轮密钥加等操作实现数据的充分混淆与扩散。文中提供的C语言实现采用模块化设计，包含基本运算函数、核心变换函数以及密钥扩展与加密函数，代码结构清晰且高效，最后通过标准测试向量验证了实现的正确性。该实现不仅准确遵循AES算法规范，展示了算法各步骤的具体操作，同时也体现了密码学工程实现中安全性、性能与可维护性的平衡考量，为理解和使用AES算法提供了实用参考。