摘 要
对称密码是现代密码学中的一个重要分支，其诞生和发展有着广泛的使用背
景和重要的理论价值。目前这一领域还有许多理论和实际问题有待继续研究和完
善。这些问题包括：如何设计可证明安全的密码算法；如何加强现有算法及其工
作模式的安全性；如何测试密码算法的安全性；如何设计安全的密码组件，例如
S-盒、扩散层及密钥扩展算法等。
目前分组密码所采用的整体结构可分为 Feistel 结构（如CAST-256、DEAL、
DFC、E2等）、SP 网络（如 Safer+、Serpent 等）及其他密码结构（例如Frog和HPC）。Feistel 结构最大的优点是容易保证加解密的相似性；SP 网络则是扩散性能比较好。AES 沿袭了 SQUARE 的特点采用了 SP 网络结构，并在加解密过程大量使用矩阵运算，这样做使得加密和解密过程略有不同，但大幅提高了算法实现的效率。
虽然 AES 的设计在分组密码系统的发展上有了一个质的飞跃，然而目前仍
有研究和改进的空间。AES 在多种平台上实现的效率有待进一步提高， 同时新
的加解密工作模式也有待研究。
本论文简单介绍了对称密码学的部分基本知识和 AES 算法的工作过程，根
据 AES 算法大量矩阵运算的的特点，改进了传统的基于查表运算提高加解密速
度的方法，给出了其在时间和空间上的优化实现： 该算法的时间优化能够提高
AES 算法的加解密速度， 空间优化能在提高速度的前提下节省存储上的开销；
同时提出了 S 盒在硬件平台上生成的高效方法。
另外，AES 的工作模式也是目前研究的热点之一。论文作者利用 Rijndael 算
法在分组长度和密钥长度上的灵活性，设计了一种基于随机分组的加解密工作模
式，这种工作模式能够提高 Rijndael 算法工作的安全性；论文中证明了在目前应用的消息长度下，完全解密这种模式是不可能事件；该模式还可与 CFB、CBC
等原有模式组合，在保持原有模式优势的基础上大大增加安全性；另外，本论文
分析了这种模式的其它特性，对这种工作模式的应用环境提出了建议。
关键词：对称加密算法，Rijndael，有限域，工作模式
目 录
中文摘要.I
英文摘要.II
前 言.1
1 对称密钥加密算法简介 4
1.1对称密码算法体制. 4
1.2 密码工作模式. 4
1.2.1 电子密码本模式 4
1.2.2 密码反馈模式. 4
1.2.3 密码分组链接模式. 5
1.2.4 输出反馈模式 6
1.3 本章小结 7
2 对称算法的攻击. 8
2.1 线性密码分析. 8
2.2 差分密码分析. 11
2.3 能量分析.12
2.3.1 能量分析的原理.12
2.3.2 差分能量分析.12
2.4 本章小结 14
3 Rijndael 算法. 15
3.1 Rijndael 算法简介. 15
3.2 Rijndael 算法的数学基础. 19
3.2.1 加法运算. 20
3.2.2 乘法运算. 20
3.3 Rijndael 的加解密流程 20
3.4 Rijndael 中的四种变换及设计原则. 21
3.4.1SubBytes . 22
3.4.2ShiftRows 23
3.4.3MixColumns 23
3.4.4 密钥加法. 23
3.4.5 密钥的编排. 24
3.5 本章小结 26
4 AES 算法在长字处理平台上的改进实现 27
4.1 实现的过程 27
4.2 上述过程的优化. 28
4.2.1 轮变换的进一步改进. 28
4.2.2 S 盒的生成 29
4.3 本章小结 30
5 一种 Rijndael 算法工作模式的研究 31
5.1 扩展工作模式简介 31
5.2 RBC 模式与其它工作模式的组合 33
5.2.1 RBC-CFB 混合模式. 33
5.2.2 RBC-CBC 混合模式. 35
5.2.3 RBC-OFB 混合模式. 36
5.3 性能分析 37
5.3.1 安全性 37
5.3.2 效率 37
5.3.3 其它特性. 38
5.4 本章小结 38
6 全文总结. 39
致谢40
参考文献. 41
附录…………………………………………………………………………………42
