TKIP和aes加密算法

TKIP和aes加密算法[转]

 

TKIP

　　在IEEE 802.11i规范中，TKIP: Temporal Key Integrity Protocol（暂时密钥集成协议）负责处理无线安全问题的加密部分。TKIP在设计时考虑了当时非常苛刻的限制因素：必须在现有硬件上运行，因此不能使用计算先进的加密算法。

　　TKIP是包裹在已有WEP密码外围的一层“外壳”。TKIP由WEP使用的同样的加密引擎和RC4算法组成。不过，TKIP中密码使用的密钥长度为128位。这解决了WEP的第一个问题：过短的密钥长度。

　　TKIP的一个重要特性，是它变化每个数据包所使用的密钥。这就是它名称中“动态”的出处。密钥通过将多种因素混合在一起生成，包括基本密钥（即TKIP中所谓的成对瞬时密钥）、发射站的MAC地址以及数据包的序列号。混合操作在设计上将对无线站和接入点的要求减少到最低程度，但仍具有足够的密码强度，使它不能被轻易破译。

　　利用TKIP传送的每一个数据包都具有独有的48位序列号，这个序列号在每次传送新数据包时递增，并被用作初始化向量和密钥的一部分。将序列号加到密钥中，确保了每个数据包使用不同的密钥。这解决了WEP的另一个问题，即所谓的“碰撞攻击”。这种攻击发生在两个不同数据包使用同样的密钥时。在使用不同的密钥时，不会出现碰撞。

　　以数据包序列号作为初始化向量，还解决了另一个WEP问题，即所谓的“重放攻击（replay attacks）”。由于48位序列号需要数千年时间才会出现重复，因此没有人可以重放来自无线连接的老数据包：由于序列号不正确，这些数据包将作为失序包被检测出来。

　　被混合到TKIP密钥中的最重要因素是基本密钥。如果没有一种生成独特的基本密钥的方法，TKIP尽管可以解决许多WEP存在的问题，但却不能解决最糟糕的问题：所有人都在无线局域网上不断重复使用一个众所周知的密钥。为了解决这个问题，TKIP生成混合到每个包密钥中的基本密钥。无线站每次与接入点建立联系时，就生成一个新基本密钥。这个基本密钥通过将特定的会话内容与用接入点和无线站生成的一些随机数以及接入点和无线站的MAC地址进行散列处理来产生。由于采用802.1x认证，这个会话内容是特定的，而且由认证服务器安全地传送给无线站。

aes加密算法

　　AES加密算法原理

　　随着对称密码的发展,DES数据加密标准算法由于密钥长度较小(56位),已经不适应当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求，因此1997年NIST公开征集新的数据加密标准,即AES[1]。经过三轮的筛选,比利时Joan Daeman和Vincent Rijmen提交的Rijndael算法被提议为AES的最终算法。此算法将成为美国新的数据加密标准而被广泛应用在各个领域中。尽管人们对AES还有不同的看法,但总体来说,AES作为新一代的数据加密标准汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点。AES设计有三个密钥长度:128,192,256位，相对而言，AES的128密钥比DES的56密钥强1021倍[2]。AES算法主要包括三个方面：轮变化、圈数和密钥扩展。本文以128为例，介绍算法的基本原理；结合AVR汇编语言，实现高级数据加密算法AES。

　　AES是分组密钥，算法输入128位数据，密钥长度也是128位。用Nr表示对一个数据分组加密的轮数（加密轮数与密钥长度的关系如表1所列）。每一轮都需要一个与输入分组具有相同长度的扩展密钥Expandedkey(i)的参与。由于外部输入的加密密钥K长度有限,所以在算法中要用一个密钥扩展程序(Keyexpansion)把外部密钥K扩展成更长的比特串,以生成各轮的加密和解密密钥。

　　1.1圈变化

　　AES每一个圈变换由以下三个层组成:

　　非线性层——进行Subbyte变换；

　　线行混合层——进行ShiftRow和MixColumn运算；

　　密钥加层——进行AddRoundKey运算。

　　① Subbyte变换是作用在状态中每个字节上的一种非线性字节转换,可以通过计算出来的S盒进行映射。

　　② ShiftRow是一个字节换位。它将状态中的行按照不同的偏移量进行循环移位，而这个偏移量也是根据Nb的不同而选择的[3]。

　　③ 在MixColumn变换中,把状态中的每一列看作GF(28)上的多项式a(x)与固定多项式c(x)相乘的结果。 b(x)=c(x)*a(x)的系数这样计算:*运算不是普通的乘法运算,而是特殊的运算，即 b(x)=c(x)·a(x)(mod x4+1) 对于这个运算 b0=02。a0+03。a1+a2+a3 令xtime(a0)=02。a0其中，符号“。”表示模一个八次不可约多项式的同余乘法[3]。

　　对于逆变化,其矩阵C要改变成相应的D,即b(x)=d(x)＊a(x)。

　　④ 密钥加层运算(addround)是将圈密钥状态中的对应字节按位“异或”。

　　⑤ 根据线性变化的性质[1],解密运算是加密变化的逆变化。这里不再详细叙述。

　　1.2轮变化

　　对不同的分组长度，其对应的轮变化次数是不同的,如表1所列。

　　1.3密钥扩展

　　AES算法利用外部输入密钥K(密钥串的字数为Nk),通过密钥的扩展程序得到共计4(Nr+1)字的扩展密钥。它涉及如下三个模块:① 位置变换(rotword)——把一个4字节的序列[A,B,C,D]变化成[B,C,D,A]；② S盒变换(subword)——对一个4字节进行S盒代替；③ 变换Rcon——Rcon表示32位比特字[xi-1,00,00,00]。这里的x是（02），如 Rcon[1]=[01000000]；Rcon[2]=[02000000]；Rcon[3]=[04000000]…… 扩展密钥的生成：扩展密钥的前Nk个字就是外部密钥K；以后的字W[]等于它前一个字W[[i-1]]与前第Nk个字W[[i-Nk]]的“异或”,即W[]=W[[i-1]]W[[i- Nk]]。但是若i为Nk的倍数,则W=W[i-Nk]Subword(Rotword(W[[i-1]]))Rcon[i/Nk]。

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