1.前言
最近做微信小程序開發，小程序里面對敏感數據的加密采用了 AES -128-CBC的對稱加密方式。所以想寫一篇介紹AES-Rijndael算法的文章，此篇文章為AES作鋪墊，因為它的列混淆算法的運算操作用到了有限域的概念。
2.有限域的介紹
Galois Field 在國內有兩個翻譯別名：伽羅華域、伽羅瓦域（我也不知道為什么沒能統一一個翻譯）。在數學中，有限域是一個包含有限元素的域。通過GF(2^M)來表示域中含有2^M個元素。每一個域中有多個本原多項式，當M=8時，常見的本原多項式為P(x)=x^8+x^4+x^3+x^2+1，AES中的本原多項式為不可約多項式(irreducible polynomial):P(x)=x^8+x^4+x^3+x^1+1。
3. 有限域的加法與乘法運算
有限域中的運算方式需要先把數值轉化成多項式的形式，然后再進行相關運算。其中加法操作可以直接進行運算。
加法：計算機異或運算
加法例子：4+3
展開多項式為: x^2 + (x^1 + x^0) => 2^2 + 2^1 + 1 => 4 + 2 + 1 => 4 ^ 2 ^ 1 = 7
直接計算：4^3 = 7
乘法：通過乘法結合律展開多項式，如果x的最高指數大於7，那么需要對本原多項式取余數（初二多項式除法運算），否則就是展開后的多項式做加法操作。
取余操作有一個算法，參考《密碼編碼學與網絡安全學原理》一書中提到的公式：
已知GF(2^8)最長的多項式f(x)=b7*x^7+b6*x^6+b5*x^5+b4*x^4+b3*x^3+b2*x^2+b1*x^1+b0*x^0
x*f(x)= b7*x^8+b6*x^7+b5*x^6+b4*x^5+b3*x^4+b2*x^3+b1*x^2+b0*x^1
x*f(x)的情況如下：
當b7=0時，最高指數為7不需要取余，直接做異或加法運算。
當b7=1時，最高指數為8，大於7，則需要取m(x)的余數，推導如下：
f(x) = ( b7*x^8+b6*x^7+b5*x^6+b4*x^5+b3*x^4+b2*x^3+b1*x^2+b0*x^1 )mod m(x);
這里有另外一個等式：x^8 mod m(x) = [m(x) – x^8] = (x^4 + x^3 + x + 1)
所以根據上面的等式可以化簡f(x) = b6*x^7+b5*x^6+b4*x^5+b3*x^4+b2*x^3+b1*x^2+b0*x^1 + x^4 + x^3 + x +1
而x^4 + x^3 + x + 1 就是十六進程的0x1B(因為2^4+2^3+2+1=27),因此本原多項式取余的操作就等價於 異或本原多項式。公式如下：
圖片來源： 《密碼編碼學與網絡安全學原理》 第88頁
高階的x可以重復使用這個公式，在程序實現部分會詳細介紹下。
乘法例子：7*4
展開多項式為:(x^2+x^1+x^0)*(x^2) => x^4 + x^2 + x^2 => 2^4 + 2^2 + 2^2 = 16 ^ 4 ^ 4 = 16
乘法例子：130*3
展開多項式為:(x^7+x^1)*(x^1+x^0) => x^8 + x^7 + x^1 + x^1 => x^8 + x^7 +( x^8+x^4+x^3+x^1+x^0 ) ( 不可約多項式 ) => x^7 + x^4+x^3+x^1+x^0 => 2^7 + 2^4 + 2^3 + 2^1 + 1 = 128 ^ 16 ^ 8 ^ 2 ^ 1 = 155
4. 程序的實現
對於任意兩個數a和b做乘法運算，基於 GF(2^8) 的條件下，我們知道最后展開的多項式都是2^N之和，N=[0,8]。因此，多項式可能值為2^0=1,2^1=2,2^2=4,2^3=8,2^4=16,2^5=32,2^6=64,2^7=128,2^8=256。換算成二進制就是：
00000001 => 0x01
00000010 => 0x02
00000100 => 0x04
00001000 => 0x08
00010000 => 0x10
00100000 => 0x20
01000000 => 0x40
10000000 => 0x80
所以對於任意字節數a，和它相乘的所有可能為：a*x = a*(0x80+0x40+0x20+0x10+0x08+0x04+0x02+0x01)
比如：0x57 * 0x13
0x57 * 0x13 = 0x57*(0x01+0x02+0x10)
因為0x13 = 2^4+2^1+2^0 = 0x10 + 0x02 + 0x01 所以我們只要分別對a進行0x10、0x02、0x01的乘積再進行累加操作。（如果遇到高階，還是把0x01-0x80所有乘積都算出來，因為高階的乘法依賴低階乘積的結果）
0x57 * 0x01 = (x^6 + x^4 + x^2 + x^1 + x^0 )*x^0 = x^6 + x^4 +x^2 + x^1 + x^0 = 64 ^ 16 ^ 4 ^ 2 ^ 1 = 0x57
0x57*0x02 = (x^6 + x^4 + x^2 + x^1 + x^0 ) *x^1 = x^7 + x^5 + x^3 +x^2 + x^1 = 128 ^ 32 ^ 8 ^ 4 ^ 2 = 0xAE
0x57*0x10 = (x^6 + x^4 + x^2 + x^1 + x^0 ) *x^4 = x^10 + x^8 + x^6 + x^5 + x^4 = (這里我們遇到了x的高階情況，高階的計算方式參考第二部分圖片中的x*f(x)的那個公式）
所以將0x57*0x10 轉成多項式為：(x^4)*0x57 = ((x^3)*0x57)*(x^1) = (((x^2)*0x57)*x^1)*(x^1)=( (((x^1)*0x57)*x^1)*(x^1) )*x^1即((0x57*0x02)*x^1)*(x^1)*(x^1)
因為上面的0x57*0x02=0xAE,即多項式:x^7+x^5+x^3+x^2+x^1,所以我們接着計算(x*( x^7+x^5+x^3+x^2+x^1 ))*x*x 就可以了，繼續往下推算：
(x^8+x^6+x^4+x^3+x^2)*x*x
因為最高指數8大於7，所以進行取余操作，取本原多項式的模為：(x^8+x^6+x^4+x^3+x^2+x^8+x^4+x^3+x^1+1)*x*x
(x^6+x^2+x+1)*x*x
(x^7+x^3+x^2+x)*x
x^8+x^4+x^3+x^2
因為最高指數8大於7，所以進行取余操作，取本原多項式的模為：
(x^8+x^4+x^3+x^2+ x^8+x^4+x^3+x^1+1 )
x^2+x+1
4 ^ 2 ^ 1 = 0x07
所以 0x57 * 0x13 = 0x57*(0x01+0x02+0x10) = 0x57*0x01 + 0x57*0x02 + 0x57*0x10 = 0x57 + 0xAE + 0x07 = 0xFE
根據上面的推算我們就可以設計出算法了，對於x*f(x)實質上，x=2的時候，乘以2在計算機里就是左移的操作，我們將上面的計算用二進制表示為：
0x57 * 0x01 = 01010111 * 00000001 = 01010111 = 0x57
0x57 * 0x02 = (0x57*0x01)*0x02 = (0x57*0x01) << 1 = 10101110 = 0xAE
0x57 * 0x04 = (0x57*0x02) << 1 = 101011100 (這里b7=1,所以進行異或操作,先去掉第9位的1) = (101011100 & 0xFF) ^ 0x1B = 0x47
0x57 * 0x08 = (0x57*0x04) << 1 = 10001110 = 0x8E
0x57*0x10 = (0x57*0x08) << 1 = 100011100 (b7=1，同上進行異或操作) = (100011100 &0xFF) ^ 0x1B = 7
算法描述：
第一步：計算0x01-0x10的所有結果集
if (($a << 1) & 0x100) $res[i] = (($a << 1) & 0xFF) ^ 0x1B
else $res[i] = $a << 1
第二步：計算$b由哪幾個結果集組成
第三步：異或求和
4.1 PHP實現AES列混合有限域乘積計算
PHP實現AES列混合有限域乘積計算
function aes_multi($a, $b = 0)
{
if ($a >= 2 ** 8 || 2 ** 8 <= $b) {
exit('只支持GF(2^8)域的計算');
}
$binMulti = [];
$result = 0;
for ($i = 0; $i < 8; $i++) {
$a = ($a & 0x100) ? (($a & 0xFF) ^ 0x1B) : $a;
$binMulti[] = $a;
$a = $a << 1;
}
$binString = str_pad(base_convert($b, 10, 2), 8, 0, STR_PAD_LEFT);
for ($i = 0; $i < 8; $i++) {
if ($binString{$i} === '1') {
$pos = strlen(substr($binString, $i)) - 1;
$result ^= $binMulti[$pos];
}
}
return $result;
}
var_dump(aes_multi(0x57, 0x13));5.參考
官方文檔 https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/FIPS/NIST.FIPS.197.pdf