密码学 - 轮密钥加变换

高级加密标准 (AES) 使用许多不同的变换来加密和解密数据。其中一种变换是轮密钥加 (AddRoundKey)。

轮密钥加需要在加密过程中在数据块和不同的加密密钥之间轮换。就像一个秘密代码，这个密钥被故意用来扰乱数据。

工作原理？

轮密钥加变换是高级加密标准 (AES) 密码技术中的一个步骤。必须使用此过程来加密和解密数据。其工作原理如下：

密钥加 - 在轮密钥加变换中，数据的每个字节都使用简单的按位异或 (XOR) 运算与加密密钥的相应字节组合。这意味着如果数据中的位和密钥中相应的位不同，则加密数据中的结果位将设置为 1；否则，它将设置为 0。
密钥扩展 - 此过程在应用轮密钥加变换之前加密加密密钥。此过程为每个加密轮创建一个唯一的轮密钥集。
轮密钥 - 每个轮密钥都是从原始加密密钥创建的，并用于加密特定轮的数据。轮密钥加变换将输入的每个字节与其对应的轮密钥字节组合以产生加密输出。

特点

AES 加密的每个周期都有一个唯一的密钥。
使用轮密钥加变换，每个数据字节都与其对应的轮密钥字节进行异或运算。
当数据进行异或运算时，未经授权的实体将难以解码加密的传输。
通过为每一轮使用不同的密钥，AES 提高了加密的复杂性和安全性。

Python 实现

这段 Python 代码使用列表推导式和 Python 内置的 zip 函数，迭代数据和轮密钥的相应字节，将 XOR 运算符 (\^) 应用于每一对字节，以实现轮密钥加。

示例

def addRoundKey(data, round_key):
   return bytes(a ^ b for a, b in zip(data, round_key))

# function execution
data = b'\x12\x34\x56\x78'
round_key = b'\xAB\xCD\xEF\x01'
encrypted_data = addRoundKey(data, round_key)
print("The Encrypted Data:", encrypted_data.hex())

以下是上述示例的输出：

输入/输出

The Encrypted Data: b9f9b979

Java 实现

现在我们将使用 Java 来实现轮密钥加变换。Java 使用一个简单的循环来迭代数据和轮密钥的每个字节，以执行 XOR 运算 (^)。Java 的原始数组类型 byte[] 用于存储数据和轮密钥。因此代码如下：

示例

public class AddRoundKey {
   public static byte[] addRoundKey(byte[] data, byte[] roundKey) {
      byte[] encryptedData = new byte[data.length];
      for (int i = 0; i < data.length; i++) {
         encryptedData[i] = (byte) (data[i] ^ roundKey[i]);
      }
      return encryptedData;
   }

   public static void main(String[] args) {
      byte[] data = {(byte) 0x12, (byte) 0x34, (byte) 0x56, (byte) 0x78};
      byte[] roundKey = {(byte) 0xAB, (byte) 0xCD, (byte) 0xEF, (byte) 0x01};
      byte[] encryptedData = addRoundKey(data, roundKey);
      System.out.print("Encrypted Data: ");
      for (byte b : encryptedData) {
         System.out.printf("%02X ", b);
      }
   }
}

以下是上述示例的输出：

输入/输出

Encrypted Data: B9F9B979

C++ 实现

此 C++ 实现使用 std::vector 来存储数据和轮密钥。一个简单的 for 循环用于迭代数据和轮密钥的每个字节，以执行 XOR 运算 (^)。然后，加密后的数据存储在另一个 std::vector 中。代码如下：

示例

#include <iostream>
#include <vector>

std::vector<unsigned char> addRoundKey(const std::vector<unsigned char>& data, const std::vector<unsigned char>& roundKey) {
   std::vector<unsigned char> encryptedData;
   for (size_t i = 0; i < data.size(); ++i) {
      encryptedData.push_back(data[i] ^ roundKey[i]);
   }
   return encryptedData;
}

int main() {
   std::vector<unsigned char> data = {0x12, 0x34, 0x56, 0x78};
   std::vector<unsigned char> roundKey = {0xAB, 0xCD, 0xEF, 0x01};
   std::vector<unsigned char> encryptedData = addRoundKey(data, roundKey);
   std::cout << "Encrypted Data: ";
   for (auto byte : encryptedData) {
      printf("%02X ", byte);
   }
   return 0;
}

以下是上述示例的输出：

输入/输出

Encrypted Data: B9 F9 B9 79

总结

轮密钥加变换是高级加密标准 (AES) 密码技术的重要组成部分。使用按位异或 (XOR) 方法将数据的每个字节与加密密钥的相应字节组合。Python、Java 和 C++ 中都有轮密钥加的实现。所有实现的过程都是相同的：迭代轮密钥和相关数据字节，对结果进行异或运算，最后返回加密数据。

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