ARIA 分组密码算法的加解密流程详解
字数 3481 2025-12-18 12:47:32

ARIA 分组密码算法的加解密流程详解

我将为您详细讲解 ARIA 算法完整的加解密流程。ARIA 是一种由韩国学者设计的 128 比特分组密码算法，支持 128、192 和 256 比特三种密钥长度。其整体结构为 SPN（代换-置换网络），加解密流程高度对称但略有不同，这使其设计精巧高效。

一、 算法总体框架与核心概念

  1. 基本参数：

    • 分组长度：固定为 128 比特。
    • 密钥长度：128 比特（对应 12 轮）、192 比特（对应 14 轮）、256 比特（对应 16 轮）。轮数记为 nr。
    • 数据表示：128 比特的明文、中间状态、密文都表示为 4x4 的字节矩阵（16 字节），类似于 AES。

  2. 核心操作：ARIA 的轮函数（Round Function）由三种基本变换组成：

    • Substitution Layer (S-layer)：使用两个不同的 8x8 S盒（S1 和 S2）及其逆 S盒（S1⁻¹ 和 S2⁻¹）对状态矩阵的每个字节进行非线性替换。
    • Diffusion Layer (D-layer)：一个精心设计的线性变换，作用于整个 128 比特状态，提供扩散性。这是加解密流程不同的关键点。
    • Round Key Addition (A-layer)：将 128 比特的轮密钥与状态进行简单的比特异或（XOR）。

二、 加密过程详解（循序渐进）

加密过程是 奇数轮 和 偶数轮 交替进行的 nr 轮迭代，前后各有一个白化密钥加操作。

步骤 0：初始准备
明文 P (128 bit) 被加载到状态矩阵 State 中。首先生成所有的轮密钥 RK[0], RK[1], ..., RK[nr]（通过密钥扩展算法，此处假定已生成）。

步骤 1：初始密钥加（Whitening）
State = State XOR RK[0]。
这是第一轮白化操作，增加攻击难度。

步骤 2：主轮循环（对于轮数 r = 1 到 nr-1）
主循环执行 nr-1 轮。每轮包含三个子步骤，但奇数轮和偶数轮的 S 盒使用顺序相反。

  • 奇数轮（r=1,3,5,...）：

    1. S-layer (Substitution)：对 State 的 16 个字节应用 S 盒。
      • 规则：使用两个不同的 S 盒 S1 和 S2。具体地，对状态矩阵的行 i（从0开始），如果 i mod 4 的值为 0 或 1，则对该行的 4 个字节使用 S1；如果值为 2 或 3，则使用 S2。
      • 作用：引入非线性，混淆数据。
    2. D-layer (Diffusion)：对整个 State 应用线性扩散变换 DL。
      • 定义：DL 是一个 128x128 的二进制矩阵乘法（在 GF(2) 上）。它将一个 128 比特的向量（状态的列优先表示）映射到另一个 128 比特向量。
      • 设计：DL 矩阵是 Maximum Distance Separable (MDS) 矩阵，具有良好的分支数，确保单个输入字节的改变在经过 DL 后能影响到多个输出字节。
      • 作用：提供雪崩效应和扩散性。
    3. A-layer (AddRoundKey)：State = State XOR RK[r]。

  • 偶数轮（r=2,4,6,...）：

    1. S-layer (Substitution)：与奇数轮相反。行 i mod 4 值为 0 或 1 时，使用 S2；值为 2 或 3 时，使用 S1。
    2. D-layer (Diffusion)：与加密奇数轮完全相同，应用同一个 DL 变换。
    3. A-layer (AddRoundKey)：State = State XOR RK[r]。

步骤 3：末轮处理（第 nr 轮）
最后一轮（第 nr 轮）比较特殊，它只包含 S-layer 和 A-layer，省略了 D-layer。

  • 根据 nr 的奇偶性决定 S 盒的使用规则（奇同奇数轮，偶同偶数轮）。
  • 执行：State = S-layer(State)，然后 State = State XOR RK[nr]。

步骤 4：输出
此时 State 即为最终的密文 C。

加密流程小结（公式化）：
C = (XOR_RK[nr]) ∘ S_nr ∘ (XOR_RK[nr-1] ∘ DL ∘ S_{nr-1}) ∘ ... ∘ (XOR_RK[1] ∘ DL ∘ S_1) ∘ (XOR_RK[0]) (P)
其中 S_r 表示第 r 轮的 S 盒层（奇偶规则不同），DL 为扩散层，XOR_RK[r] 为与轮密钥 RK[r] 异或。

三、 解密过程详解（与加密的对称性）

ARIA 的解密流程与加密流程高度相似，核心思想是按逆序使用轮密钥，并将每轮的变换替换为其逆变换。

关键点：

  1. 逆变换：

    • S-layer 的逆：使用 S 盒的逆 S盒。即，在解密时，如果加密轮使用了 S1，则对应的解密轮就使用 S1⁻¹；如果加密使用了 S2，则解密使用 S2⁻¹。奇偶轮的规则与加密时保持一致。
    • D-layer 的逆：扩散层 DL 是线性变换，其逆变换存在，记为 DL⁻¹。这是加解密流程中 D-layer 唯一不同的地方。解密时使用 DL⁻¹ 而不是 DL。
    • A-layer 的逆：异或操作的逆就是它自身（再次异或相同的密钥）。

  2. 步骤顺序与密钥顺序：

    • 解密从“末轮”开始，向“首轮”进行。
    • 轮密钥的使用顺序与加密相反。

解密步骤分解：

步骤 0：准备
密文 C 加载到 State。轮密钥 RK[0]...RK[nr] 已准备。

步骤 1：初始密钥加（解密对应加密的末轮）
State = State XOR RK[nr]。 // 对应加密末轮的 XOR_RK[nr]

步骤 2：末轮 S 盒逆变换（解密对应加密的末轮 S-layer）
根据 nr 的奇偶性，应用对应的逆 S 盒层 Inv_S_nr（规则同加密末轮，但用 S⁻¹）。

步骤 3：主轮循环（对于轮数 r = nr-1 降到 1）
这是解密的核心循环，执行 nr-1 轮。每轮包含：

  1. A-layer (AddRoundKey)：State = State XOR RK[r]。 // 使用当前轮次 r 的密钥
  2. D-layer (Diffusion)：应用逆扩散变换 DL⁻¹。 // 与加密唯一不同的核心操作
  3. S-layer (Substitution)：应用逆 S 盒层 Inv_S_r。S盒使用的奇偶规则与加密第 r 轮时完全相同（但用的是逆S盒）。

步骤 4：最终密钥加（解密对应加密的初始白化）
State = State XOR RK[0]。

步骤 5：输出
此时 State 即为恢复的明文 P。

解密流程小结（公式化）：
P = (XOR_RK[0]) ∘ (Inv_S_1 ∘ DL⁻¹ ∘ XOR_RK[1]) ∘ ... ∘ (Inv_S_{nr-1} ∘ DL⁻¹ ∘ XOR_RK[nr-1]) ∘ (Inv_S_nr ∘ XOR_RK[nr]) (C)

四、 加解密对称性验证（为什么这样设计是正确的？）

我们可以直观理解其正确性。观察一对加密轮（第 r 轮，假设不是首末轮）及其对应的解密操作。加密轮为：S ∘ DL ∘ XOR_RK[r]。

为了解密，我们需要构造其逆：(XOR_RK[r] ∘ DL ∘ S)^(-1)。
根据运算性质：
(S ∘ DL ∘ XOR_RK[r])^(-1) = (XOR_RK[r])^(-1) ∘ (DL)^(-1) ∘ (S)^(-1) = XOR_RK[r] ∘ DL⁻¹ ∘ Inv_S。

这正是解密流程中每一轮（从后往前）所做的：Inv_S 然后 DL⁻¹ 然后 XOR_RK[r]。注意顺序是反的，因为解密是从最后一轮开始反向执行。首轮和末轮由于缺少 DL 或 DL⁻¹，处理方式也严格对应。

这种设计使得 ARIA 的加解密结构非常规整，硬件实现时可以复用大部分电路（只需要同时提供 S 盒、逆 S 盒以及 DL 和 DL⁻¹ 的电路），在资源受限和高速实现中都有优势。

ARIA 分组密码算法的加解密流程详解 我将为您详细讲解 ARIA 算法完整的加解密流程。ARIA 是一种由韩国学者设计的 128 比特分组密码算法，支持 128、192 和 256 比特三种密钥长度。其整体结构为 SPN（代换-置换网络），加解密流程高度对称但略有不同，这使其设计精巧高效。 一、 算法总体框架与核心概念 基本参数 ： 分组长度 ：固定为 128 比特。 密钥长度 ：128 比特（对应 12 轮）、192 比特（对应 14 轮）、256 比特（对应 16 轮）。轮数记为 nr 。 数据表示 ：128 比特的明文、中间状态、密文都表示为 4x4 的字节矩阵（16 字节），类似于 AES。 核心操作 ：ARIA 的轮函数（ Round Function ）由三种基本变换组成： Substitution Layer (S-layer) ：使用两个不同的 8x8 S盒（S1 和 S2）及其逆 S盒（S1⁻¹ 和 S2⁻¹）对状态矩阵的每个字节进行非线性替换。 Diffusion Layer (D-layer) ：一个精心设计的线性变换，作用于整个 128 比特状态，提供扩散性。 这是加解密流程不同的关键点 。 Round Key Addition (A-layer) ：将 128 比特的轮密钥与状态进行简单的比特异或（XOR）。 二、 加密过程详解（循序渐进） 加密过程是 奇数轮 和 偶数轮 交替进行的 nr 轮迭代，前后各有一个白化密钥加操作。 步骤 0：初始准备 明文 P (128 bit) 被加载到状态矩阵 State 中。首先生成所有的轮密钥 RK[0], RK[1], ..., RK[nr] （通过密钥扩展算法，此处假定已生成）。 步骤 1：初始密钥加（Whitening） State = State XOR RK[0] 。 这是第一轮白化操作，增加攻击难度。 步骤 2：主轮循环（对于轮数 r = 1 到 nr-1） 主循环执行 nr-1 轮。每轮包含三个子步骤，但奇数轮和偶数轮的 S 盒使用顺序相反。 奇数轮（r=1,3,5,...） ： S-layer (Substitution) ：对 State 的 16 个字节应用 S 盒。 规则 ：使用两个不同的 S 盒 S1 和 S2。具体地，对状态矩阵的行 i （从0开始），如果 i mod 4 的值为 0 或 1，则对该行的 4 个字节使用 S1；如果值为 2 或 3，则使用 S2。 作用 ：引入非线性，混淆数据。 D-layer (Diffusion) ：对整个 State 应用线性扩散变换 DL 。 定义 ： DL 是一个 128x128 的二进制矩阵乘法（在 GF(2) 上）。它将一个 128 比特的向量（状态的列优先表示）映射到另一个 128 比特向量。 设计 ： DL 矩阵是 Maximum Distance Separable (MDS) 矩阵，具有良好的分支数，确保单个输入字节的改变在经过 DL 后能影响到多个输出字节。 作用 ：提供雪崩效应和扩散性。 A-layer (AddRoundKey) ： State = State XOR RK[r] 。 偶数轮（r=2,4,6,...） ： S-layer (Substitution) ：与奇数轮相反。行 i mod 4 值为 0 或 1 时，使用 S2；值为 2 或 3 时，使用 S1。 D-layer (Diffusion) ： 与加密奇数轮完全相同 ，应用同一个 DL 变换。 A-layer (AddRoundKey) ： State = State XOR RK[r] 。 步骤 3：末轮处理（第 nr 轮） 最后一轮（第 nr 轮）比较特殊，它 只包含 S-layer 和 A-layer，省略了 D-layer 。 根据 nr 的奇偶性决定 S 盒的使用规则（奇同奇数轮，偶同偶数轮）。 执行： State = S-layer(State) ，然后 State = State XOR RK[nr] 。 步骤 4：输出 此时 State 即为最终的密文 C 。 加密流程小结（公式化） ： C = (XOR_RK[nr]) ∘ S_nr ∘ (XOR_RK[nr-1] ∘ DL ∘ S_{nr-1}) ∘ ... ∘ (XOR_RK[1] ∘ DL ∘ S_1) ∘ (XOR_RK[0]) (P) 其中 S_r 表示第 r 轮的 S 盒层（奇偶规则不同）， DL 为扩散层， XOR_RK[r] 为与轮密钥 RK[ r ] 异或。 三、 解密过程详解（与加密的对称性） ARIA 的解密流程与加密流程高度相似，核心思想是 按逆序使用轮密钥，并将每轮的变换替换为其逆变换 。 关键点 ： 逆变换 ： S-layer 的逆 ：使用 S 盒的逆 S盒。即，在解密时，如果加密轮使用了 S1，则对应的解密轮就使用 S1⁻¹；如果加密使用了 S2，则解密使用 S2⁻¹。奇偶轮的规则与加密时保持一致。 D-layer 的逆 ：扩散层 DL 是线性变换，其逆变换存在，记为 DL⁻¹ 。 这是加解密流程中 D-layer 唯一不同的地方 。解密时使用 DL⁻¹ 而不是 DL 。 A-layer 的逆 ：异或操作的逆就是它自身（再次异或相同的密钥）。 步骤顺序与密钥顺序 ： 解密从“末轮”开始，向“首轮”进行。 轮密钥的使用顺序与加密相反。 解密步骤分解 ： 步骤 0：准备 密文 C 加载到 State 。轮密钥 RK[0]...RK[nr] 已准备。 步骤 1：初始密钥加（解密对应加密的末轮） State = State XOR RK[nr] 。 // 对应加密末轮的 XOR_RK[nr] 步骤 2：末轮 S 盒逆变换（解密对应加密的末轮 S-layer） 根据 nr 的奇偶性，应用对应的逆 S 盒层 Inv_S_nr （规则同加密末轮，但用 S⁻¹）。 步骤 3：主轮循环（对于轮数 r = nr-1 降到 1） 这是解密的核心循环，执行 nr-1 轮。每轮包含： A-layer (AddRoundKey) ： State = State XOR RK[r] 。 // 使用当前轮次 r 的密钥 D-layer (Diffusion) ：应用 逆扩散变换 DL⁻¹ 。 // 与加密唯一不同的核心操作 S-layer (Substitution) ：应用逆 S 盒层 Inv_S_r 。S盒使用的奇偶规则与加密第 r 轮时完全相同（但用的是逆S盒）。 步骤 4：最终密钥加（解密对应加密的初始白化） State = State XOR RK[0] 。 步骤 5：输出 此时 State 即为恢复的明文 P 。 解密流程小结（公式化） ： P = (XOR_RK[0]) ∘ (Inv_S_1 ∘ DL⁻¹ ∘ XOR_RK[1]) ∘ ... ∘ (Inv_S_{nr-1} ∘ DL⁻¹ ∘ XOR_RK[nr-1]) ∘ (Inv_S_nr ∘ XOR_RK[nr]) (C) 四、 加解密对称性验证（为什么这样设计是正确的？） 我们可以直观理解其正确性。观察一对加密轮（第 r 轮，假设不是首末轮）及其对应的解密操作。加密轮为： S ∘ DL ∘ XOR_RK[r] 。 为了解密，我们需要构造其逆： (XOR_RK[r] ∘ DL ∘ S)^(-1) 。 根据运算性质： (S ∘ DL ∘ XOR_RK[r])^(-1) = (XOR_RK[r])^(-1) ∘ (DL)^(-1) ∘ (S)^(-1) = XOR_RK[r] ∘ DL⁻¹ ∘ Inv_S 。 这正是解密流程中每一轮（从后往前）所做的： Inv_S 然后 DL⁻¹ 然后 XOR_RK[r] 。注意顺序是反的，因为解密是从最后一轮开始反向执行。首轮和末轮由于缺少 DL 或 DL⁻¹ ，处理方式也严格对应。 这种设计使得 ARIA 的加解密结构非常规整，硬件实现时可以复用大部分电路（只需要同时提供 S 盒、逆 S 盒以及 DL 和 DL⁻¹ 的电路），在资源受限和高速实现中都有优势。