AES加密分析

AES（高级加密标准）是一种广泛使用的对称加密算法，它用相同的密钥进行数据的加密和解密。AES支持多种密钥长度，通常为128位、192位或256位。在AES加密过程中，数据被分为多个块，每个块独立加密，形成密文。AES的安全性高，执行效率也很高，因此被广泛应用于各种安全需求的场景。

明文P：没有经过加密的数据。

密钥K：用来加密明文的密码，在对称加密算法中，加密与解密的密钥是相同的。密钥为接收方与发送方协商产生，但不可以直接在网络上传输，否则会导致密钥泄漏，通常是通过非对称加密算法加密密钥，然后再通过网络传输给对方，或者直接面对面商量密钥。密钥是绝对不可以泄漏的，否则会被攻击者还原密文，窃取机密数据。

AES加密函数：设AES加密函数为E，则 C = E(K, P),其中P为明文，K为密钥，C为密文。也就是说，把明文P和密钥K作为加密函数的参数输入，则加密函数E会输出密文C。

设AES解密函数为D，则 P = D(K, C),其中C为密文，K为密钥，P为明文。也就是说，把密文C和密钥K作为解密函数的参数输入，则解密函数会输出明文P。

常见的非对称加密算法为RSA、ECC和EIGamal

AES为分组密码，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。在AES标准规范中，分组长度只能是128位，也就是说，每个分组为16个字节（每个字节8位）。密钥的长度可以使用128位、192位或256位。密钥的长度不同，推荐加密轮数也不同，如下表所示：

AES 密钥长度（32位比特字) 分组长度(32位比特字) 加密轮数
AES-128 4(16字节) 4(16字节) 10
AES-192 6(24字节) 4 12
AES-256 8(32字节) 4 14

轮数在下面介绍，这里实现的是AES-128，也就是密钥的长度为128位，加密轮数为10轮。

上面说到，AES的加密公式为C = E(K,P)，在加密函数E中，会执行一个轮函数，并且执行10次这个轮函数，这个轮函数的前9次执行的操作是一样的，只有第10次有所不同。也就是说，一个明文分组会被加密10轮。AES的核心就是实现一轮中的所有操作。

AES的处理单位是字节，128位的输入明文分组P和输入密钥K都被分成16个字节，分别记为P = P0 P1 … P15 和 K = K0 K1 … K15。如，明文分组为P = abcdefghijklmnop,其中的字符a对应P0，p对应P15。一般地，明文分组用字节为单位的正方形矩阵描述，称为状态矩阵。在算法的每一轮中，状态矩阵的内容不断发生变化，最后的结果作为密文输出。该矩阵中字节的排列顺序为从上到下、从左至右依次排列，如下图所示：

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类似地，128位密钥也是用字节为单位的矩阵表示，矩阵的每一列被称为1个32位比特字(四字节)。通过密钥编排函数该密钥矩阵被扩展成一个44个字组成的序列W[0],W[1], … ,W[43],该序列的前4个元素W[0],W[1],W[2],W[3]是原始密钥，用于加密运算中的初始密钥加（下面介绍）;后面40个字分为10组，每组4个字（128比特）分别用于10轮加密运算中的轮密钥，如下图所示：

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AES需要10轮的加密，每轮用到一个128位的轮密钥。所以从 W[4] 开始，接下来的40个字（W[4] 到 W[43]）是通过密钥扩展算法生成的。扩展的过程如下：

  • 对于每个新生成的字（除了 W[0] 到 W[3] 外），我们会依次从前一个字推导出来，同时应用一些额外的操作，如字节替代、列移位等。
  • 每四个字作为一组，这些四个字形成一个新的128位（16字节）轮密钥。

初始密钥 W[0], W[1], W[2], W[3] 被用于第一轮的轮密钥。

后续的40个字 W[4] 到 W[43] 每四个一组，作为轮密钥应用到加密运算中

加密的第1轮到第9轮的轮函数一样，包括4个操作：字节代换、行位移、列混合和轮密钥加。最后一轮迭代不执行列混合。另外，在第一轮迭代之前，先将明文和原始密钥进行一次异或加密操作。

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解密过程仍为10轮，每一轮的操作是加密操作的逆操作。由于AES的4个轮操作都是可逆的，因此，解密操作的一轮就是顺序执行逆行移位、逆字节代换、轮密钥加和逆列混合。同加密操作类似，最后一轮不执行逆列混合，在第1轮解密之前，要执行1次密钥加操作。

字节代换

AES的字节代换其实就是一个简单的查表操作。AES定义了一个S盒和一个逆S盒。

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状态矩阵中的元素按照下面的方式映射为一个新的字节：把该字节的高4位作为行值，低4位作为列值，取出S盒或者逆S盒中对应的行的元素作为输出。例如，加密时，输出的字节S1为0x12,则查S盒的第0x01行和0x02列，得到值0xc9,然后替换S1原有的0x12为0xc9。状态矩阵经字节代换后的图如下：

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而它的逆操作如下：

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行位移

行移位是一个简单的左循环移位操作。当密钥长度为128比特时，状态矩阵的第0行左移0字节，第1行左移1字节，第2行左移2字节，第3行左移3字节，如下图所示：

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行移位的逆变换是将状态矩阵中的每一行执行相反的移位操作，例如AES-128中，状态矩阵的第0行右移0字节，第1行右移1字节，第2行右移2字节，第3行右移3字节。

列混合

列混合变换是通过矩阵相乘来实现的，经行移位后的状态矩阵与固定的矩阵相乘，得到混淆后的状态矩阵，如下图的公式所示：

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这个矩阵乘法怎么乘起来的忘了….应该是这样

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逆向列混合变换可由下图的矩阵乘法定义：

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可以验证，逆变换矩阵同正变换矩阵的乘积恰好为单位矩阵。

轮密钥加

轮密钥加是将128位轮密钥Ki同状态矩阵中的数据进行逐位异或操作，如下图所示。其中，密钥Ki中每个字W[4i],W[4i+1],W[4i+2],W[4i+3]为32位比特字，包含4个字节，他们的生成算法下面在下面介绍。轮密钥加过程可以看成是字逐位异或的结果，也可以看成字节级别或者位级别的操作。也就是说，可以看成S0 S1 S2 S3 组成的32位字与W[4i]的异或运算。

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轮密钥加的逆运算同正向的轮密钥加运算完全一致，这是因为异或的逆操作是其自身。轮密钥加非常简单，但却能够影响S数组中的每一位。

密钥扩展

这个44矩阵的每一列的4个字节组成一个字，矩阵4列的4个字依次命名为W[0]、W[1]、W[2]和W[3]，它们构成一个以字为单位的数组W。例如，设密钥K为”abcdefghijklmnop”,则K0 = ‘a’,K1 = ‘b’, K2 = ‘c’,K3 = ‘d’,W[0] = “abcd”。

接着，对W数组扩充40个新列，构成总共44列的扩展密钥数组。新列以如下的递归方式产生：

  1. 如果i不是4的倍数，那么第i列由如下等式确定：W[i]=W[i-4]⨁W[i-1]

  2. 如果i是4的倍数，那么第i列由如下等式确定：W[i]=W[i-4]⨁T(W[i-1])

其中，T是一个有点复杂的函数。函数T由3部分组成：字循环、字节代换和轮常量异或，这3部分的作用分别如下。

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字循环：将1个字中的4个字节循环左移1个字节。即将输入字[b0, b1, b2, b3]变换成[b1,b2,b3,b0]。

字节代换：对字循环的结果使用S盒进行字节代换。

轮常量异或：将前两步的结果同轮常量Rcon[j]进行异或，其中j表示轮数。

轮常量Rcon[j]是一个字，其值见下表。

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下面举个例子：

设初始的128位密钥为：

3C A1 0B 21 57 F0 19 16 90 2E 13 80 AC C1 07 BD

那么4个初始值为：

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W[0] = 3C A1 0B 21
W[1] = 57 F0 19 16
W[2] = 90 2E 13 80
W[3] = AC C1 07 BD

下面求扩展的第1轮的子密钥(W[4],W[5],W[6],W[7])。

由于4是4的倍数，所以：

W[4] = W[0] ⨁ T(W[3])

T(W[3])的计算步骤如下：

循环地将W[3]的元素移位：AC C1 07 BD变成C1 07 BD AC;

将 C1 07 BD AC 作为S盒的输入，输出为78 C5 7A 91;

将78 C5 7A 91与第一轮轮常量Rcon[1]进行异或运算，将得到79 C5 7A 91，因此，T(W[3])=79 C5 7A 91，故

W[4] = 3C A1 0B 21 ⨁ 79 C5 7A 91 = 45 64 71 B0

其余的3个子密钥段的计算如下：

W[5] = W[1] ⨁ W[4] = 57 F0 19 16 ⨁ 45 64 71 B0 = 12 94 68 A6

W[6] = W[2] ⨁ W[5] =90 2E 13 80 ⨁ 12 94 68 A6 = 82 BA 7B 26

W[7] = W[3] ⨁ W[6] = AC C1 07 BD ⨁ 82 BA 7B 26 = 2E 7B 7C 9B

所以，第一轮的密钥为 45 64 71 B0 12 94 68 A6 82 BA 7B 26 2E 7B 7C 9B。

AES算法实现

AES加密函数预览

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aes加密函数中，首先进行密钥扩展，然后把128位长度的字符串读进一个4*4的整数数组中，这个数组就是状态矩阵。例如，pArray[0][0] = S0,pArray[1][0] = S1, pArray[0][1] = S4。这个读取过程是通过 convertToIntArray()函数来实现的。每个轮操作的函数都对pArray进行修改，也就是对状态矩阵进行混淆。在执行完10轮加密后，会把pArray转换回字符串，再存入明文p的字符数组中，所以，在加密完后，明文p的字符串中的字符就是加密后的字符了。这个转换过程是通过convertArrayToStr()函数来实现的。
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/**
 * 参数 p: 明文的字符串数组。
 * 参数 plen: 明文的长度。
 * 参数 key: 密钥的字符串数组。
 */
void aes(char *p, int plen, char *key){

    int keylen = strlen(key);
    if(plen == 0 || plen % 16 != 0) {
        printf("明文字符长度必须为16的倍数！\n");
        exit(0);
    }

    if(!checkKeyLen(keylen)) {
        printf("密钥字符长度错误！长度必须为16、24和32。当前长度为%d\n",keylen);
        exit(0);
    }

    extendKey(key);//扩展密钥
    int pArray[4][4];

    for(int k = 0; k < plen; k += 16) {
        convertToIntArray(p + k, pArray);
        addRoundKey(pArray, 0);//一开始的轮密钥加
        for(int i = 1; i < 10; i++){//前9轮
            subBytes(pArray);//字节代换
            shiftRows(pArray);//行移位
            mixColumns(pArray);//列混合
            addRoundKey(pArray, i);
        }

        //第10轮
        subBytes(pArray);//字节代换
        shiftRows(pArray);//行移位
        addRoundKey(pArray, 10);
        convertArrayToStr(pArray, p + k);
    }
}

密钥扩展的实现

在开始加密前，必须先获得第一轮加密用到的密钥，故先实现密钥扩展

下面是密钥扩展函数的实现，这个函数传入密钥key的字符串表示，然后从字符串中读取W[0]到W[3],函数getWordFromStr()用于实现此功能。读取后，就开始扩展密钥，当i是4的倍数的时候，就会调用T()函数来进行扩展，因为T函数的行为与加密的轮数有关，故要把加密的轮数 j 作为参数传进去。

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//密钥对应的扩展数组
static int w[44];

/**
 * 扩展密钥，结果是把w[44]中的每个元素初始化
 */
static void extendKey(char *key) {
    for(int i = 0; i < 4; i++)
        w[i] = getWordFromStr(key + i * 4); 

    for(int i = 4, j = 0; i < 44; i++) {
        if( i % 4 == 0) {
            w[i] = w[i - 4] ^ T(w[i - 1], j); 
            j++;//下一轮
        }else {
            w[i] = w[i - 4] ^ w[i - 1]; 
        }
    }   

}
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/**
 * 常量轮值表
 */
static const int Rcon[10] = { 0x01000000, 0x02000000,
    0x04000000, 0x08000000,
    0x10000000, 0x20000000,
    0x40000000, 0x80000000,
    0x1b000000, 0x36000000 };
/**
 * 密钥扩展中的T函数
 */
static int T(int num, int round) {
    int numArray[4];
    splitIntToArray(num, numArray);
    leftLoop4int(numArray, 1);//字循环

    //字节代换
    for(int i = 0; i < 4; i++)
        numArray[i] = getNumFromSBox(numArray[i]);

    int result = mergeArrayToInt(numArray);
    return result ^ Rcon[round];
}

字节代换的实现

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/**
 * 根据索引，从S盒中获得元素
 */
static int getNumFromSBox(int index) {
    int row = getLeft4Bit(index);
    int col = getRight4Bit(index);
    return S[row][col];
}

/**
 * 字节代换
 */
static void subBytes(int array[4][4]){
    for(int i = 0; i < 4; i++)
        for(int j = 0; j < 4; j++)
            array[i][j] = getNumFromSBox(array[i][j]);
}

行移位的实现

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/**
 * 将数组中的元素循环左移step位
 */
static void leftLoop4int(int array[4], int step) {
    int temp[4];
    for(int i = 0; i < 4; i++)
        temp[i] = array[i];

    int index = step % 4 == 0 ? 0 : step % 4;
    for(int i = 0; i < 4; i++){
        array[i] = temp[index];
        index++;
        index = index % 4;
    }
}

/**
 * 行移位
 */
static void shiftRows(int array[4][4]) {
    int rowTwo[4], rowThree[4], rowFour[4];
    //复制状态矩阵的第2,3,4行
    for(int i = 0; i < 4; i++) {
        rowTwo[i] = array[1][i];
        rowThree[i] = array[2][i];
        rowFour[i] = array[3][i];
    }
    //循环左移相应的位数
    leftLoop4int(rowTwo, 1);
    leftLoop4int(rowThree, 2);
    leftLoop4int(rowFour, 3);

    //把左移后的行复制回状态矩阵中
    for(int i = 0; i < 4; i++) {
        array[1][i] = rowTwo[i];
        array[2][i] = rowThree[i];
        array[3][i] = rowFour[i];
    }
}

列混合的实现

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/**
 * 列混合要用到的矩阵
 */
static const int colM[4][4] = { 2, 3, 1, 1,
    1, 2, 3, 1,
    1, 1, 2, 3,
    3, 1, 1, 2 };

static int GFMul2(int s) {
    int result = s << 1;
    int a7 = result & 0x00000100;

    if(a7 != 0) {
        result = result & 0x000000ff;
        result = result ^ 0x1b;
    }

    return result;
}

static int GFMul3(int s) {
    return GFMul2(s) ^ s;
}

/**
 * GF上的二元运算
 */
static int GFMul(int n, int s) {
    int result;

    if(n == 1)
        result = s;
    else if(n == 2)
        result = GFMul2(s);
    else if(n == 3)
        result = GFMul3(s);
    else if(n == 0x9)
        result = GFMul9(s);
    else if(n == 0xb)//11
        result = GFMul11(s);
    else if(n == 0xd)//13
        result = GFMul13(s);
    else if(n == 0xe)//14
        result = GFMul14(s);

    return result;
}

/**
 * 列混合
 */
static void mixColumns(int array[4][4]) {

    int tempArray[4][4];

    for(int i = 0; i < 4; i++)
        for(int j = 0; j < 4; j++)
            tempArray[i][j] = array[i][j];

    for(int i = 0; i < 4; i++)
        for(int j = 0; j < 4; j++){
            array[i][j] = GFMul(colM[i][0],tempArray[0][j]) ^ GFMul(colM[i][1],tempArray[1][j])
                ^ GFMul(colM[i][2],tempArray[2][j]) ^ GFMul(colM[i][3], tempArray[3][j]);
        }
}

轮密钥加的实现

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/**
 * 轮密钥加
 */
static void addRoundKey(int array[4][4], int round) {
    int warray[4];
    for(int i = 0; i < 4; i++) {
        splitIntToArray(w[ round * 4 + i], warray);
        for(int j = 0; j < 4; j++) {
            array[j][i] = array[j][i] ^ warray[j];
        }
    }
}

AES解密函数

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/**
 * 参数 c: 密文的字符串数组。
 * 参数 clen: 密文的长度。
 * 参数 key: 密钥的字符串数组。
 */
void deAes(char *c, int clen, char *key) {

    int keylen = strlen(key);
    if(clen == 0 || clen % 16 != 0) {
        printf("密文字符长度必须为16的倍数！现在的长度为%d\n",clen);
        exit(0);
    }

    if(!checkKeyLen(keylen)) {
        printf("密钥字符长度错误！长度必须为16、24和32。当前长度为%d\n",keylen);
        exit(0);
    }

    extendKey(key);//扩展密钥
    int cArray[4][4];
    for(int k = 0; k < clen; k += 16) {
        convertToIntArray(c + k, cArray);


        addRoundKey(cArray, 10);

        int wArray[4][4];
        for(int i = 9; i >= 1; i--) {
            deSubBytes(cArray);

            deShiftRows(cArray);

            deMixColumns(cArray);
            getArrayFrom4W(i, wArray);
            deMixColumns(wArray);

            addRoundTowArray(cArray, wArray);
        }

        deSubBytes(cArray);

        deShiftRows(cArray);

        addRoundKey(cArray, 0);

        convertArrayToStr(cArray, c + k);

    }
}


完整代码

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#include "aes.h"

/**
 * S盒
 */
static const int S[16][16] = { 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 };

/**
 * 逆S盒
 */
static const int S2[16][16] = { 0x52, 0x09, 0x6a, 0xd5, 0x30, 0x36, 0xa5, 0x38, 0xbf, 0x40, 0xa3, 0x9e, 0x81, 0xf3, 0xd7, 0xfb,
	0x7c, 0xe3, 0x39, 0x82, 0x9b, 0x2f, 0xff, 0x87, 0x34, 0x8e, 0x43, 0x44, 0xc4, 0xde, 0xe9, 0xcb,
	0x54, 0x7b, 0x94, 0x32, 0xa6, 0xc2, 0x23, 0x3d, 0xee, 0x4c, 0x95, 0x0b, 0x42, 0xfa, 0xc3, 0x4e,
	0x08, 0x2e, 0xa1, 0x66, 0x28, 0xd9, 0x24, 0xb2, 0x76, 0x5b, 0xa2, 0x49, 0x6d, 0x8b, 0xd1, 0x25,
	0x72, 0xf8, 0xf6, 0x64, 0x86, 0x68, 0x98, 0x16, 0xd4, 0xa4, 0x5c, 0xcc, 0x5d, 0x65, 0xb6, 0x92,
	0x6c, 0x70, 0x48, 0x50, 0xfd, 0xed, 0xb9, 0xda, 0x5e, 0x15, 0x46, 0x57, 0xa7, 0x8d, 0x9d, 0x84,
	0x90, 0xd8, 0xab, 0x00, 0x8c, 0xbc, 0xd3, 0x0a, 0xf7, 0xe4, 0x58, 0x05, 0xb8, 0xb3, 0x45, 0x06,
	0xd0, 0x2c, 0x1e, 0x8f, 0xca, 0x3f, 0x0f, 0x02, 0xc1, 0xaf, 0xbd, 0x03, 0x01, 0x13, 0x8a, 0x6b,
	0x3a, 0x91, 0x11, 0x41, 0x4f, 0x67, 0xdc, 0xea, 0x97, 0xf2, 0xcf, 0xce, 0xf0, 0xb4, 0xe6, 0x73,
	0x96, 0xac, 0x74, 0x22, 0xe7, 0xad, 0x35, 0x85, 0xe2, 0xf9, 0x37, 0xe8, 0x1c, 0x75, 0xdf, 0x6e,
	0x47, 0xf1, 0x1a, 0x71, 0x1d, 0x29, 0xc5, 0x89, 0x6f, 0xb7, 0x62, 0x0e, 0xaa, 0x18, 0xbe, 0x1b,
	0xfc, 0x56, 0x3e, 0x4b, 0xc6, 0xd2, 0x79, 0x20, 0x9a, 0xdb, 0xc0, 0xfe, 0x78, 0xcd, 0x5a, 0xf4,
	0x1f, 0xdd, 0xa8, 0x33, 0x88, 0x07, 0xc7, 0x31, 0xb1, 0x12, 0x10, 0x59, 0x27, 0x80, 0xec, 0x5f,
	0x60, 0x51, 0x7f, 0xa9, 0x19, 0xb5, 0x4a, 0x0d, 0x2d, 0xe5, 0x7a, 0x9f, 0x93, 0xc9, 0x9c, 0xef,
	0xa0, 0xe0, 0x3b, 0x4d, 0xae, 0x2a, 0xf5, 0xb0, 0xc8, 0xeb, 0xbb, 0x3c, 0x83, 0x53, 0x99, 0x61,
	0x17, 0x2b, 0x04, 0x7e, 0xba, 0x77, 0xd6, 0x26, 0xe1, 0x69, 0x14, 0x63, 0x55, 0x21, 0x0c, 0x7d };

/**
 * 获取整形数据的低8位的左4个位
 */
static int getLeft4Bit(int num) {
	int left = num & 0x000000f0;
	return left >> 4;
}

/**
 * 获取整形数据的低8位的右4个位
 */
static int getRight4Bit(int num) {
	return num & 0x0000000f;
}
/**
 * 根据索引，从S盒中获得元素
 */
static int getNumFromSBox(int index) {
	int row = getLeft4Bit(index);
	int col = getRight4Bit(index);
	return S[row][col];
}

/**
 * 把一个字符转变成整型
 */
static int getIntFromChar(char c) {
	int result = (int) c;
	return result & 0x000000ff;
}

/**
 * 把16个字符转变成4X4的数组，
 * 该矩阵中字节的排列顺序为从上到下，
 * 从左到右依次排列。
 */
static void convertToIntArray(char *str, int pa[4][4]) {
	int k = 0;
	int i,j;
	for(i = 0; i < 4; i++)
		for(j = 0; j < 4; j++) {
			pa[j][i] = getIntFromChar(str[k]);
			k++;
		}
}

/**
 * 打印4X4的数组
 */
static void printArray(int a[4][4]) {
	int i,j;
	for(i = 0; i < 4; i++){
		for(j = 0; j < 4; j++)
			printf("a[%d][%d] = 0x%x ", i, j, a[i][j]);
		printf("\n");
	}
	printf("\n");
}

/**
 * 打印字符串的ASSCI，
 * 以十六进制显示。
 */
static void printASSCI(char *str, int len) {
	int i;
	for(i = 0; i < len; i++)
		printf("0x%x ", getIntFromChar(str[i]));
	printf("\n");
}

/**
 * 把连续的4个字符合并成一个4字节的整型
 */
static int getWordFromStr(char *str) {
	int one, two, three, four;
	one = getIntFromChar(str[0]);
	one = one << 24;
	two = getIntFromChar(str[1]);
	two = two << 16;
	three = getIntFromChar(str[2]);
	three = three << 8;
	four = getIntFromChar(str[3]);
	return one | two | three | four;
}

/**
 * 把一个4字节的数的第一、二、三、四个字节取出，
 * 入进一个4个元素的整型数组里面。
 */
static void splitIntToArray(int num, int array[4]) {
	int one, two, three;
	one = num >> 24;
	array[0] = one & 0x000000ff;
	two = num >> 16;
	array[1] = two & 0x000000ff;
	three = num >> 8;
	array[2] = three & 0x000000ff;
	array[3] = num & 0x000000ff;
}

/**
 * 将数组中的元素循环左移step位
 */
static void leftLoop4int(int array[4], int step) {
	int temp[4];
	int i;
	int index;
	for(i = 0; i < 4; i++)
		temp[i] = array[i];

	index = step % 4 == 0 ? 0 : step % 4;
	for(i = 0; i < 4; i++){
		array[i] = temp[index];
		index++;
		index = index % 4;
	}
}

/**
 * 把数组中的第一、二、三和四元素分别作为
 * 4字节整型的第一、二、三和四字节，合并成一个4字节整型
 */
static int mergeArrayToInt(int array[4]) {
	int one = array[0] << 24;
	int two = array[1] << 16;
	int three = array[2] << 8;
	int four = array[3];
	return one | two | three | four;
}

/**
 * 常量轮值表
 */
static const int Rcon[10] = { 0x01000000, 0x02000000,
	0x04000000, 0x08000000,
	0x10000000, 0x20000000,
	0x40000000, 0x80000000,
	0x1b000000, 0x36000000 };
/**
 * 密钥扩展中的T函数
 */
static int T(int num, int round) {
	int numArray[4];
	int i;
	int result;
	splitIntToArray(num, numArray);
	leftLoop4int(numArray, 1);//字循环

	//字节代换
	for(i = 0; i < 4; i++)
		numArray[i] = getNumFromSBox(numArray[i]);

	result = mergeArrayToInt(numArray);
	return result ^ Rcon[round];
}

//密钥对应的扩展数组
static int w[44];
/**
 * 打印W数组
 */
static void printW() {
	int i, j;
	for(i = 0, j = 1; i < 44; i++,j++){
		printf("w[%d] = 0x%x ", i, w[i]);
		if(j % 4 == 0)
			printf("\n");
	}
	printf("\n");
}


/**
 * 扩展密钥，结果是把w[44]中的每个元素初始化
 */
static void extendKey(char *key) {
	int i,j;
	for(i = 0; i < 4; i++)
		w[i] = getWordFromStr(key + i * 4);

	for(i = 4, j = 0; i < 44; i++) {
		if( i % 4 == 0) {
			w[i] = w[i - 4] ^ T(w[i - 1], j);
			j++;//下一轮
		}else {
			w[i] = w[i - 4] ^ w[i - 1];
		}
	}

}

/**
 * 轮密钥加
 */
static void addRoundKey(int array[4][4], int round) {
	int warray[4];
	int i,j;
	for(i = 0; i < 4; i++) {

		splitIntToArray(w[ round * 4 + i], warray);

		for(j = 0; j < 4; j++) {
			array[j][i] = array[j][i] ^ warray[j];
		}
	}
}

/**
 * 字节代换
 */
static void subBytes(int array[4][4]){
	int i,j;
	for(i = 0; i < 4; i++)
		for(j = 0; j < 4; j++)
			array[i][j] = getNumFromSBox(array[i][j]);
}

/**
 * 行移位
 */
static void shiftRows(int array[4][4]) {
	int rowTwo[4], rowThree[4], rowFour[4];
	int i;
	for(i = 0; i < 4; i++) {
		rowTwo[i] = array[1][i];
		rowThree[i] = array[2][i];
		rowFour[i] = array[3][i];
	}

	leftLoop4int(rowTwo, 1);
	leftLoop4int(rowThree, 2);
	leftLoop4int(rowFour, 3);

	for(i = 0; i < 4; i++) {
		array[1][i] = rowTwo[i];
		array[2][i] = rowThree[i];
		array[3][i] = rowFour[i];
	}
}

/**
 * 列混合要用到的矩阵
 */
static const int colM[4][4] = { 2, 3, 1, 1,
	1, 2, 3, 1,
	1, 1, 2, 3,
	3, 1, 1, 2 };

static int GFMul2(int s) {
	int result = s << 1;
	int a7 = result & 0x00000100;

	if(a7 != 0) {
		result = result & 0x000000ff;
		result = result ^ 0x1b;
	}

	return result;
}

static int GFMul3(int s) {
	return GFMul2(s) ^ s;
}

static int GFMul4(int s) {
	return GFMul2(GFMul2(s));
}

static int GFMul8(int s) {
	return GFMul2(GFMul4(s));
}

static int GFMul9(int s) {
	return GFMul8(s) ^ s;
}

static int GFMul11(int s) {
	return GFMul9(s) ^ GFMul2(s);
}

static int GFMul12(int s) {
	return GFMul8(s) ^ GFMul4(s);
}

static int GFMul13(int s) {
	return GFMul12(s) ^ s;
}

static int GFMul14(int s) {
	return GFMul12(s) ^ GFMul2(s);
}

/**
 * GF上的二元运算
 */
static int GFMul(int n, int s) {
	int result;

	if(n == 1)
		result = s;
	else if(n == 2)
		result = GFMul2(s);
	else if(n == 3)
		result = GFMul3(s);
	else if(n == 0x9)
		result = GFMul9(s);
	else if(n == 0xb)//11
		result = GFMul11(s);
	else if(n == 0xd)//13
		result = GFMul13(s);
	else if(n == 0xe)//14
		result = GFMul14(s);

	return result;
}
/**
 * 列混合
 */
static void mixColumns(int array[4][4]) {

	int tempArray[4][4];
	int i,j;
	for(i = 0; i < 4; i++)
		for(j = 0; j < 4; j++)
			tempArray[i][j] = array[i][j];

	for(i = 0; i < 4; i++)
		for(j = 0; j < 4; j++){
			array[i][j] = GFMul(colM[i][0],tempArray[0][j]) ^ GFMul(colM[i][1],tempArray[1][j])
				^ GFMul(colM[i][2],tempArray[2][j]) ^ GFMul(colM[i][3], tempArray[3][j]);
		}
}
/**
 * 把4X4数组转回字符串
 */
static void convertArrayToStr(int array[4][4], char *str) {
	int i,j;
	for(i = 0; i < 4; i++)
		for(j = 0; j < 4; j++)
			*str++ = (char)array[j][i];
}
/**
 * 检查密钥长度
 */
static int checkKeyLen(int len) {
	if(len == 16)
		return 1;
	else
		return 0;
}


/**
 * 参数 p: 明文的字符串数组。
 * 参数 plen: 明文的长度。
 * 参数 key: 密钥的字符串数组。
 */
void aes(char *p, int plen, char *key){

	int keylen = strlen(key);
	int pArray[4][4];
	int k,i;

	if(plen == 0 || plen % 16 != 0) {
		printf("明文字符长度必须为16的倍数！\n");
		exit(0);
	}

	if(!checkKeyLen(keylen)) {
		printf("密钥字符长度错误！长度必须为16。当前长度为%d\n",keylen);
		exit(0);
	}

	extendKey(key);//扩展密钥

	for(k = 0; k < plen; k += 16) {
		convertToIntArray(p + k, pArray);

		addRoundKey(pArray, 0);//一开始的轮密钥加

		for(i = 1; i < 10; i++){

			subBytes(pArray);//字节代换

			shiftRows(pArray);//行移位

			mixColumns(pArray);//列混合

			addRoundKey(pArray, i);

		}

		subBytes(pArray);//字节代换

		shiftRows(pArray);//行移位

		addRoundKey(pArray, 10);

		convertArrayToStr(pArray, p + k);
	}
}
/**
 * 根据索引从逆S盒中获取值
 */
static int getNumFromS1Box(int index) {
	int row = getLeft4Bit(index);
	int col = getRight4Bit(index);
	return S2[row][col];
}
/**
 * 逆字节变换
 */
static void deSubBytes(int array[4][4]) {
	int i,j;
	for(i = 0; i < 4; i++)
		for(j = 0; j < 4; j++)
			array[i][j] = getNumFromS1Box(array[i][j]);
}
/**
 * 把4个元素的数组循环右移step位
 */
static void rightLoop4int(int array[4], int step) {
	int temp[4];
	int i;
	int index;
	for(i = 0; i < 4; i++)
		temp[i] = array[i];

	index = step % 4 == 0 ? 0 : step % 4;
	index = 3 - index;
	for(i = 3; i >= 0; i--) {
		array[i] = temp[index];
		index--;
		index = index == -1 ? 3 : index;
	}
}

/**
 * 逆行移位
 */
static void deShiftRows(int array[4][4]) {
	int rowTwo[4], rowThree[4], rowFour[4];
	int i;
	for(i = 0; i < 4; i++) {
		rowTwo[i] = array[1][i];
		rowThree[i] = array[2][i];
		rowFour[i] = array[3][i];
	}

	rightLoop4int(rowTwo, 1);
	rightLoop4int(rowThree, 2);
	rightLoop4int(rowFour, 3);

	for(i = 0; i < 4; i++) {
		array[1][i] = rowTwo[i];
		array[2][i] = rowThree[i];
		array[3][i] = rowFour[i];
	}
}
/**
 * 逆列混合用到的矩阵
 */
static const int deColM[4][4] = { 0xe, 0xb, 0xd, 0x9,
	0x9, 0xe, 0xb, 0xd,
	0xd, 0x9, 0xe, 0xb,
	0xb, 0xd, 0x9, 0xe };

/**
 * 逆列混合
 */
static void deMixColumns(int array[4][4]) {
	int tempArray[4][4];
	int i,j;
	for(i = 0; i < 4; i++)
		for(j = 0; j < 4; j++)
			tempArray[i][j] = array[i][j];

	for(i = 0; i < 4; i++)
		for(j = 0; j < 4; j++){
			array[i][j] = GFMul(deColM[i][0],tempArray[0][j]) ^ GFMul(deColM[i][1],tempArray[1][j])
				^ GFMul(deColM[i][2],tempArray[2][j]) ^ GFMul(deColM[i][3], tempArray[3][j]);
		}
}
/**
 * 把两个4X4数组进行异或
 */
static void addRoundTowArray(int aArray[4][4],int bArray[4][4]) {
	int i,j;
	for(i = 0; i < 4; i++)
		for(j = 0; j < 4; j++)
			aArray[i][j] = aArray[i][j] ^ bArray[i][j];
}
/**
 * 从4个32位的密钥字中获得4X4数组，
 * 用于进行逆列混合
 */
static void getArrayFrom4W(int i, int array[4][4]) {
	int index,j;
	int colOne[4], colTwo[4], colThree[4], colFour[4];
	index = i * 4;
	splitIntToArray(w[index], colOne);
	splitIntToArray(w[index + 1], colTwo);
	splitIntToArray(w[index + 2], colThree);
	splitIntToArray(w[index + 3], colFour);

	for(j = 0; j < 4; j++) {
		array[j][0] = colOne[j];
		array[j][1] = colTwo[j];
		array[j][2] = colThree[j];
		array[j][3] = colFour[j];
	}

}

/**
 * 参数 c: 密文的字符串数组。
 * 参数 clen: 密文的长度。
 * 参数 key: 密钥的字符串数组。
 */
void deAes(char *c, int clen, char *key) {

	int cArray[4][4];
	int keylen,k;
	keylen = strlen(key);
	if(clen == 0 || clen % 16 != 0) {
		printf("密文字符长度必须为16的倍数！现在的长度为%d\n",clen);
		exit(0);
	}

	if(!checkKeyLen(keylen)) {
		printf("密钥字符长度错误！长度必须为16、24和32。当前长度为%d\n",keylen);
		exit(0);
	}

	extendKey(key);//扩展密钥

	for(k = 0; k < clen; k += 16) {
		int i;
		int wArray[4][4];

		convertToIntArray(c + k, cArray);

		
		
		

		addRoundKey(cArray, 10);

		for(i = 9; i >= 1; i--) {
			deSubBytes(cArray);

			deShiftRows(cArray);

			deMixColumns(cArray);
			getArrayFrom4W(i, wArray);
			deMixColumns(wArray);

			addRoundTowArray(cArray, wArray);
		}

		deSubBytes(cArray);

		deShiftRows(cArray);

		addRoundKey(cArray, 0);

		convertArrayToStr(cArray, c + k);

	}
}

Python解密代码

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from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Util.number import *
key = long_to_bytes(0xcb8d493521b47a4cc1ae7e62229266ce) #密钥
mi = long_to_bytes(0xbc0aadc0147c5ecce0b140bc9c51d52b46b2b9434de5324bad7fb4b39cdb4b5b) #密文
lun = AES.new(key, mode=AES.MODE_ECB)
flag = lun.decrypt(mi)
print(flag)