Rijndael加密算法解析

2022-10-28

Rijndael加密算法的128位输入分组用以字节为单位的正方形矩阵描述，该数组被复制到State数组。加密过程分为四个阶段：密钥扩展、轮密钥加、Nr-1(对应128、1Array2、256位密钥长度，Nr分别为10、12、14)轮变换及最后一轮变换。轮变换包括字节代换、行移位、列混淆和轮密钥加四个过程，最后一轮变换包括字节代换、行移位和轮密钥加三个过程。Rijndael 中的某些操作是在字节级上定义的，字节表示有限字段GF(2 ) 中的元素，一个字节中有8 位。其它操作都根据4 字节字定义。

用伪C代码表示如下：

Rijndael (State, CipherKey) {

KeyExpansion (CipherKey, ExpandKey); //密钥扩展

AddRoundKey (State, RoundKey); //轮密钥加

For (i=1;i<Nr;i++)

Round (State, ExpandKey+4*i); //轮变换

FinalRound (State, ExpandKey+4 * Nr); //最后一轮变换}

Round (State, RoundKey){ //轮变换

SubByte (State); //字节代换

ShiftRow(State); //行移位

MixColumn(State); //列混淆

AddRoundKey(State, RoundKey); 轮密钥加

FinalRound(State, RoundKey) { //最后一轮变换

SubByte(State);

ShiftRow(State);

AddRoundKey(State,RoundKey);

Rijndael.s程序实现加密算法步骤

Rijndael.s主要通过ARM汇编子程序调用完成加密算法，包括1个代码段和1个数据段。它把算法所使用的所有变换均用同名ARM汇编子程序实现。代码段包括以下几个模块：

首先，进行明文、密钥预处理。明文可以从开发板键盘上接收，也可以是常量或参数传递过来的变量。

其次，调用子程序KeyExpansion完成密钥扩展。

第三，调用子程序AddRoLundKey完成初始轮密钥加。

第四，轮变换。包括四个步骤：①调用于程序SubByte进行字节代换；②调用子程序ShiftRow进行行移位；③调用子程序MixColumn进行列混淆；④调用子程序Ad-dRoundKey进行轮密钥加。本过程重复Array次。

第五，最后一轮变换。包括三个步骤：①调用子程序SubByte进行字节代换；②调用子程序ShiftRow进行行移位；③调用子程序AddRoundKey进行轮密钥加。

最后，对生成的密文进行进一步处理，即把密文视为4×4数组，将其行与列对调。

Rijndael加密算法实现效率比较

在调用ARM汇编程序实现Rijndael加密算法之余，还在嵌入式微处理器ARM上通过调用C子程序实现了Rijndael算法，同样获得了正确结果。表1、表2是两种实现方式的空间与时间效率比较。

Rijndael加密算法解析

由表1知，ARM子程序比C子程序所占用的空间明显小得多，前者仅为后者的55％。由表2，运行一次ARM汇编程序Rijndael.s程序完成加密算法，仅需约0.657 tick(此处，1000 tick=1s)，而运行一次c子程序约需0.996 tick，比前者增加了52％。高级加密标准Rijndael算法在嵌入式微处理器ARM上的实现具有一定的实用价值。

小知识之子程序：

在一个加工程序中，如果其中有些加工内容完全相同或相似，为了简化程序，可以把这些重复的程序段单独列出，并按一定的格式编写成子程序。主程序在执行过程中如果需要某一子程序，通过调用指令来调用该子程序，子程序执行完后又返回到主程序，继续执行后面的程序段。