AES密钥编排Python实现

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附上我的博客链接四元君

引言

对想出AES的前辈大写的佩服，光是写了密钥编排我就写了一下午…这里把AES讲述一下，再把代码过程总结一下

AES密钥扩展原理

AES加密算法涉及4种操作：字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。

我们这里提及的是构造密钥的方法，密钥扩展，原理如下：

代码构造

首先我们构造RotWord的函数，他的目的在于增加扩散性。这里实际上我们要干的事情就是完成一个置换，做的方式是一个字符串的拼接。注意python内部不能使用word[2:4]之类的方法，只能是word[2:]表示从第2个往后。

def RotWord(word):return word[2:]+word[:2]

接下来构造SubBytes方法。这个方法实现的就是S盒。我们这里的方法是输入字符串，转换为相应的十六进制的字符。Python里不能使用switch方法，只能用字典进行搜索。
对于字典来说，我们可以用key来搜索value。如果没搜索到就默认为None。

numbers = {'0' : '0000','1' : '0001','2' : '0010','3' : '0011','4' : '0100','5' : '0101','6' : '0110','7' : '0111','8' : '1000','9' : '1001','A' : '1010','B' : '1011','C' : '1100','D' : '1101','E' : '1110','F' : '1111'}def hex2Bin(key):return numbers.get(key[0], None)+numbers.get(key[1], None)

当然我们这里还需要的方法，要从value来搜索key，要自定义一个get_key方法：

def get_key (dict, value):for k, v in dict.items():if v == value:return k

接下来实现SubBytes方法，注意原方法中，要先求key在域中的乘法逆，在进行计算。但是计算机内的0指的是第一个元素，所以不必求逆。

def SubBytes(key):#print(key)key=hex2Bin(key)c='11000110'b=''for i in range(8):temp=(int(key[i])+int(key[(i+4)%8])+int(key[(i+5)%8])+int(key[(i+6)%8])+int(key[(i+7)%8])+int(c[i]))%2# print(temp)temp=str(temp)b+=tempb=b[::-1]#print(b)return get_key(numbers,b[:4])+get_key(numbers,b[4:])

再者进行构造SubWord方法，这个方法的目的在于混淆。使用S盒对原序列进行S置换。

def SubWord(word):temp=''i=0while i<len(word):temp+=SubBytes(word[i]+word[i+1])i+=2return temp

最后我们来实现KeyExpansion方法。这里注意在循环中，temp是一个字符串，binnum是一个二进制数。注意不能将二者混用，因为不是每一次temp的值是更新的，在实践中就会出现问题。

def KeyExpansion(m):RCon=['01000000','02000000','04000000','08000000','10000000','20000000','40000000','80000000','1B000000','36000000']i=0key=[]while i<16:key.append(m[i*2]+m[i*2+1])i+=1w=[]for i in range(0,4):w.append(key[4*i]+key[4*i+1]+key[4*i+2]+key[4*i+3])#print(w[i])#temp=SubWord(RotWord(w[0]))#temp=hex2Bin(temp)#temp=w[0]#temp=int(hex2Bin8(SubWord(RotWord(temp))),2)|int(hex2Bin8(RCon[i//4-1]),2)for i in range(4,44):temp=w[i-1]binnum=int(hex2Bin8(temp),2)if(i%4==0):binnum=int(hex2Bin8(SubWord(RotWord(temp))),2)^int(hex2Bin8(RCon[i//4-1]),2)wapp=hex((int(hex2Bin8(w[i-4]),2)^binnum))wapp=wapp[2:].upper()zernum=8-len(wapp)while zernum:wapp='0'+wappzernum-=1w.append(wapp)return w

最后我们将全部的代码放在下面：

def RotWord(word):return word[2:]+word[:2]numbers = {'0' : '0000','1' : '0001','2' : '0010','3' : '0011','4' : '0100','5' : '0101','6' : '0110','7' : '0111','8' : '1000','9' : '1001','A' : '1010','B' : '1011','C' : '1100','D' : '1101','E' : '1110','F' : '1111'}def get_key (dict, value):for k, v in dict.items():if v == value:return kdef hex2Bin(key):return numbers.get(key[0], None)+numbers.get(key[1], None)def hex2Bin8(key):str=''zernum=8-len(key)while zernum:key='0'+keyzernum-=1for i in range(8):str+=numbers.get(key[i], None)#print(str)return strdef SubBytes(key):#print(key)key=hex2Bin(key)c='11000110'b=''for i in range(8):temp=(int(key[i])+int(key[(i+4)%8])+int(key[(i+5)%8])+int(key[(i+6)%8])+int(key[(i+7)%8])+int(c[i]))%2# print(temp)temp=str(temp)b+=tempb=b[::-1]#print(b)return get_key(numbers,b[:4])+get_key(numbers,b[4:])def SubWord(word):temp=''i=0while i<len(word):temp+=SubBytes(word[i]+word[i+1])i+=2return tempdef KeyExpansion(m):RCon=['01000000','02000000','04000000','08000000','10000000','20000000','40000000','80000000','1B000000','36000000']i=0key=[]while i<16:key.append(m[i*2]+m[i*2+1])i+=1w=[]for i in range(0,4):w.append(key[4*i]+key[4*i+1]+key[4*i+2]+key[4*i+3])#print(w[i])#temp=SubWord(RotWord(w[0]))#temp=hex2Bin(temp)#temp=w[0]#temp=int(hex2Bin8(SubWord(RotWord(temp))),2)|int(hex2Bin8(RCon[i//4-1]),2)for i in range(4,44):temp=w[i-1]binnum=int(hex2Bin8(temp),2)if(i%4==0):binnum=int(hex2Bin8(SubWord(RotWord(temp))),2)^int(hex2Bin8(RCon[i//4-1]),2)wapp=hex((int(hex2Bin8(w[i-4]),2)^binnum))wapp=wapp[2:].upper()zernum=8-len(wapp)while zernum:wapp='0'+wappzernum-=1w.append(wapp)return wm='2B7E151628AED2A6ABF7158809CF4F3C'
key=KeyExpansion(m)
key

最后的结果如下：