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93道网络安全面试题

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5.AES算法加密成功

6.AES加密完成后，使用RSA算法对AES的密钥进行加密

7.RSA成功加密，加密结果如下图所示，key[16]存的是字符串的结束符’\0’，因此没有输出。

8.之后对RSA加密的密文解密得到AES的密钥

9.RSA解密成功，解密结果如下图所示，可以看出，解密得到的密钥和初始密钥一致。

10.之后将RSA算法解密得到的AES的密钥用来解密密文。

二、实际加解密检验

txt文件明文

txt密文

txt解密文

Word明文

Word密文（无法正常打开）

Word解密文

jpg明文

jpg密文（不可视）

jpg解密文

mp3明文（正常播放）

mp3密文（无法播放）

mp3解密文（正常播放）

实验结论

通过本次实验，加深了对RSA的了解。首先，RSA是非对称加密算法，即加解密使用不同的密钥；其中，加密密钥是公钥，可以公开；而解密密钥是私钥，必须保密。

RSA基于一个简单的数论事实：两个很大的质数相乘非常容易，但是，想要对其乘积进行因式分解却非常困难且耗时。因此，可以将乘积公开作为加密密钥，即公钥；而两个大质数组合成私钥。

AES的加解密速度快但是由于是对称加密密钥分发较为困难，安全性难以保证；而RSA是非对称性加密，安全性高，但是加解密速度慢，不适合加解密消息；因此，RSA和AES相结合， AES加解密消息可以保证加解密的速率，RSA加解密AES的密钥可以保证密钥分发的安全性，很好地相互弥补了二者自身的不足。

实验中也有遇到一些问题，如RSA加密时的幂运算会溢出，解决方法是边求幂边取余。

实验代码

aes.h

#ifndef MY_AES_H
#define MY_AES_H

/**
 * 参数 p: 明文的字符串数组。
 * 参数 plen: 明文的长度,长度必须为16的倍数。
 * 参数 key: 密钥的字符串数组。
 */
void aes(char* p, int plen, char* key);

/**
 * 参数 c: 密文的字符串数组。
 * 参数 clen: 密文的长度,长度必须为16的倍数。
 * 参数 key: 密钥的字符串数组。
 */
void deAes(char* c, int clen, char* key);

#endif

aes.cpp

#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) //一个一个矩阵进行加密
	{
		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);//轮密钥加

		convertArrayToStr(pArray, p + k);//转回字符串
	}
}
/**
 * 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];
}
/**
 * 逆字节代换
 */
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);