高级加密标准算法Rijndael的分析与应用

摘 要： 介绍了高级加密标准Rijndael算法的背景和特点，深入研究和分析了该算法的实现原理和过程，并给出了该算法在文件加解密过程实现的关键代码。
关键词： Rijndael算法；状态；密钥

1 Rijndael算法的背景
　AES（Advanced Encryption Standard）是美国联邦标准局于1997年开始向全世界征集的加密标准[1]，属于对称加密算法，代表了当今最先进的编码技术，最终获胜的是RijnDael算法。统计显示，即使使用目前世界上运算速度最快的计算机，穷尽128 bit密钥也需要几十亿年的时间，更不用说去破解采用256 扁平线圈电感生产厂家bit密钥长度的AES算法了。
　Rijndael算法由比利时计算机科学家Vincent Rijmen和Joan Daemen开发，它使用128 bit、192 bit、256 bit的密钥长度，比56 bit的DES更健壮可靠[3]。美国国家标准技术研究所选择Rijndael作为美国政府加密标准AES的加密算法，取代早期的数据加密标准DES[1]。Rijndael作为一种迭代分组加密算法，其数据块长度和密钥长度均是可变的，因此它汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用、灵活等优点被广泛应用在各个领域中。
2 Rijndael算法的设计原理
　Rijndael作为加密标准AES算法，其128 bit输入分组用以字节为单位的矩阵方阵描述[4]。该数组被复制到State数组。数据块长度、密电感生产钥长度可以被设定为128 bit、192 bit、256 bit三个可选长度，相应的加密轮数分别为10、12、14，每一轮循环都有一个循环密钥，它来自于初始密钥。
2.1 Rijndael算法的加密流程
　加密过程分为四个阶段：密钥扩展、轮密钥加、Nr-1（128 bit、192 bit、256 bit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。其流程图如图1所示。
　（1）状态：指明文分组及每次变换的中间结果[4]，是一个4×Nb的矩阵，Nb为数据块长度除以32。
　（2）字符代换：用一个简单的查表操作代替了基于矩阵乘法的复杂仿射变换。S盒是一个16×16字节矩阵，包含8 bit值所能表达的256种可能的变换。把Statc中每个字节的高4位作为行值，低4位作为列值，取出S盒中对应行列的元素作为新的字节输出。

2.2 解密过程
　Rijndael解密过程是加密的逆过程，每轮循环中的步骤都被它们的逆所替换，值得注意的是：循环密钥使用起来应该颠倒次序。
3 Rijndael算法的应用
　Rijindael算法常被用于文件的加解密过程，加密时先将读入的明文依次分组，用加密密钥将明文加密后写入文件中；解密时用解密密钥将文件中的密文解密后将明文写入结果文件中。
3.1 Rijindael算法在文件加解密应用的实现

　try
{// 创建新的Rijndael 对象以产生Key和IV
Rijndael RijndaelAlg= Rijndael.Create（）；
//需要加密的字符串及保存的文件名
string sData = "Here is some data to encrypt."；
string FileName = "CText.txt"；
//利用Key和IV加密字符串到文件中
EncryptTextToFile（sData，FileName，RijndaelAlg.Key， RijndaelAlg.IV）； //利用Key和IV从文件中解密
string Final=DecryptTextFromFile（FileName， RijndaelAlg.Key， RijndaelAlg.IV）；
Console.WriteLine（Final）； //显示密码
}
catch （Exception e）
{
Console.WriteLine（e.Message）；
}
3.2加密模块实现
　public static void EncryptTextToFile（String Data， String FileName， byte[] Key， byte[] IV）
{
try
{//创建文件
FileStream fStream=File.Open（FileName， FileMode.OpenOrCreate）；
//创建新的Rijndael对象
Rijndael RijndaelAlg=Rijndael.Create（）；
//创建加密流，以passed key 和initialization vector （IV）填充
CryptoStream cStream = new CryptoStream（fStream，
RijndaelAlg.CreateEncryptor（Key， IV），
CryptoStreamMode.Write）；
//用加密流创建StreamWriter
StreamWriter sWriter = new StreamWriter（cStream）；
try
{ //加密
sWriter.WriteLine（Data）；
}
catch （Exception e）
{
Console.WriteLine（"An error occurred：{0}"，e.Message）；
}
finally
{
sWriter.Close（）；
cStream.Close（）；
fStream.Close（）；
}
}
catch （CryptographicException e）

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