【经验分享】STM32利用AES加密数据、解密数据

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STMCU小助手发布时间：2022-4-22 22:00

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文章简介:	STM32利用AES加密数据、解密数据

一、头文件

#ifndef _AES_H
#define _AES_H
// 以bit为单位的密钥长度，只能为 128，192 和 256 三种
#define AES_KEY_LENGTH 128
// 加解密模式
#define AES_MODE_ECB 0 // 电子密码本模式（一般模式）
#define AES_MODE_CBC 1 // 密码分组链接模式
#define AES_MODE AES_MODE_CBC
///
// 函数名： aes_init
// 描述：初始化，在此执行扩展密钥操作。
// 输入参数： pKey -- 原始密钥，其长度必须为 AES_KEY_LENGTH/8 字节。
// 输出参数：无。
// 返回值：无。
///
void aes_init(const void *pKey);
//
// 函数名： aes_encrypt
// 描述：加密数据
// 输入参数： pPlainText -- 明文，即需加密的数据，其长度为nDataLen字节。
// nDataLen -- 数据长度，以字节为单位，必须为AES_KEY_LENGTH/8的整倍数。
// pIV -- 初始化向量，如果使用ECB模式，可设为NULL。
// 输出参数： pCipherText -- 密文，即由明文加密后的数据，可以与pPlainText相同。
// 返回值：无。
//
void aes_encrypt(const unsigned char *pPlainText, unsigned char *pCipherText,
unsigned int nDataLen, const unsigned char *pIV);
//
// 函数名： aes_decrypt
// 描述：解密数据
// 输入参数： pCipherText -- 密文，即需解密的数据，其长度为nDataLen字节。
// nDataLen -- 数据长度，以字节为单位，必须为AES_KEY_LENGTH/8的整倍数。
// pIV -- 初始化向量，如果使用ECB模式，可设为NULL。
// 输出参数： pPlainText -- 明文，即由密文解密后的数据，可以与pCipherText相同。
// 返回值：无。
//
void aes_decrypt( const unsigned char *pCipherText,unsigned char *pPlainText,
unsigned int nDataLen, const unsigned char *pIV);
#endif /* _AES_H */

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二、源文件

#include "aes.h"
#include "string.h"
// 为了能针对C51进行优化，并且又使代码可用于ARM和PC等环境，
// 在非C51环境（没有定义__C51__）下需要把C51特定的关键字定义为空
#ifndef __C51__
#define code
#define data
#define idata
#define xdata
#define pdata
typedef unsigned char BOOL;
#else
typedef bit BOOL;
#endif
#define Nk (AES_KEY_LENGTH / 32) // 以“字”（4字节）为单位的密钥长度
#define Nb 4 // 以“字”（4字节）为单位的加解密数据块大小，固定为4
// Nr：加密的轮数
#if AES_KEY_LENGTH == 128
#define Nr 10
#elif AES_KEY_LENGTH == 192
#define Nr 12
#elif AES_KEY_LENGTH == 256
#define Nr 14
#else
#error AES_KEY_LENGTH must be 128, 192 or 256 BOOLs!
#endif
// GF(28) 多项式
#define BPOLY 0x1B // Lower 8 BOOLs of (x^8 + x^4 + x^3 + x + 1), ie. (x^4 + x^3 + x + 1).
/*****************************************************************************
* Typedef Enum 枚举定义
*****************************************************************************/
/*****************************************************************************
* Struct 数据结构定义
******************************************************************************/
/*****************************************************************************
* Local variable 局部变量
*****************************************************************************/
// AES子密钥表，当密钥长度为128位时，占用176字节空间
static xdata unsigned char g_roundKeyTable[4*Nb*(Nr+1)];
// 加密用的SBox
static code const unsigned char sBox[256] =
{
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, 0**, 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
};
// 解密用的SBox
static code const unsigned char invSBox[256] =
{
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, 0**, 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
};
///
// 函数名： rotation_word
// 描述：对一个“字”数据进行循环右移。
// 输入参数： pWord -- 要右移的4字节数据。
// 输出参数： pWord -- 右移后的4字节数据。
// 返回值：无。
///
static void rotation_word(unsigned char *pWord)
{
unsigned char temp = pWord[0];
pWord[0] = pWord[1];
pWord[1] = pWord[2];
pWord[2] = pWord[3];
pWord[3] = temp;
}
///
// 函数名： xor_bytes
// 描述：批量异或两组数据。
// 输入参数： pData1 -- 要异或的第一组数据。
// pData1 -- 要异或的第二组数据。
// nCount -- 要异或的数据长度。
// 输出参数： pData1 -- 异或后的结果。
// 返回值：无。
///
static void xor_bytes(unsigned char *pData1, const unsigned char *pData2, unsigned char nCount)
{
unsigned char i;
for (i = 0; i < nCount; i++)
{
pData1 ^= pData2;
}
}
///
// 函数名： AddRoundKey
// 描述：把中间状态数据加上（异或）子密钥，数据长度为16字节。
// 输入参数： pState -- 状态数据。
// pRoundKey -- 子密钥数据。
// 输出参数： pState -- 加上子密钥后的状态数据。
// 返回值：无。
///
// static void AddRoundKey(unsigned char *pState, const unsigned char *pRoundKey)
// {
// xor_bytes(pState, pRoundKey, 4*Nb);
// }
// AddRoundKey的宏形式，比函数形式可以节省4字节的data数据
#define AddRoundKey(pState, pRoundKey) \
xor_bytes((pState), (pRoundKey), 4*Nb)
///
// 函数名： sub_bytes
// 描述：通过S盒子置换状态数据。
// 输入参数： pState -- 状态数据。
// nCount -- 状态数据长度。
// bInvert -- 是否使用反向S盒子（解密时使用）。
// 输出参数： pState -- 置换后的状态数据。
// 返回值：无。
///
static void sub_bytes(unsigned char *pState, unsigned char nCount, BOOL bInvert)
{
unsigned char i;
const unsigned char code *pSBox = bInvert ? invSBox : sBox;
for (i = 0; i < nCount; i++)
{
pState = pSBox[pState];
}
}
///
// 函数名： shift_rows
// 描述：把状态数据移行。
// 输入参数： pState -- 状态数据。
// bInvert -- 是否反向移行（解密时使用）。
// 输出参数： pState -- 移行后的状态数据。
// 返回值：无。
///
static void shift_rows(unsigned char *pState, BOOL bInvert)
{
// 注意：状态数据以列形式存放！
unsigned char r; // row，行
unsigned char c; // column，列
unsigned char temp;
unsigned char rowData[4];
for (r = 1; r < 4; r++)
{
// 备份一行数据
for (c = 0; c < 4; c++)
{
rowData[c] = pState[r + 4*c];
}
temp = bInvert ? (4 - r) : r;
for (c = 0; c < 4; c++)
{
pState[r + 4*c] = rowData[(c + temp) % 4];
}
}
}
///
// 函数名： gf_mult_by02
// 描述：在GF(28)域的乘2 运算。
// 输入参数： num -- 乘数。
// 输出参数：无。
// 返回值： num乘以2的结果。
///
static unsigned char gf_mult_by02(unsigned char num)
{
if ((num & 0x80) == 0)
{
num = num << 1;
}
else
{
num = (num << 1) ^ BPOLY;
}
return num;
}
///
// 函数名： mix_columns
// 描述：混合状态各列数据。
// 输入参数： pState -- 状态数据。
// bInvert -- 是否反向混合（解密时使用）。
// 输出参数： pState -- 混合列后的状态数据。
// 返回值：无。
///
static void mix_columns(unsigned char *pState, BOOL bInvert)
{
unsigned char i;
unsigned char temp;
unsigned char a0Pa2_M4; // 4(a0 + a2)
unsigned char a1Pa3_M4; // 4(a1 + a3)
unsigned char result[4];
for (i = 0; i < 4; i++, pState += 4)
{
// b0 = 2a0 + 3a1 + a2 + a3
// = (a0 + a1 + a2 + a3) + 2(a0 + a1) + a0
temp = pState[0] ^ pState[1] ^ pState[2] ^ pState[3];
result[0] = temp ^ pState[0] ^ gf_mult_by02((unsigned char) (pState[0] ^ pState[1]));
result[1] = temp ^ pState[1] ^ gf_mult_by02((unsigned char) (pState[1] ^ pState[2]));
result[2] = temp ^ pState[2] ^ gf_mult_by02((unsigned char) (pState[2] ^ pState[3]));
result[3] = temp ^ pState[3] ^ gf_mult_by02((unsigned char) (pState[3] ^ pState[0]));
if (bInvert)
{
// b0' = 14a0 + 11a1 + 13a2 + 9a3
// = (a0 + a1 + a2 + a3) + 2(a0 + a1) + a0 （这部分为b0）
// + 2(4(a0 + a2) + 4(a1 + a3))
// + 4(a0 + a2)
a0Pa2_M4 = gf_mult_by02(gf_mult_by02((unsigned char) (pState[0] ^ pState[2])));
a1Pa3_M4 = gf_mult_by02(gf_mult_by02((unsigned char) (pState[1] ^ pState[3])));
temp = gf_mult_by02((unsigned char) (a0Pa2_M4 ^ a1Pa3_M4));
result[0] ^= temp ^ a0Pa2_M4;
result[1] ^= temp ^ a1Pa3_M4;
result[2] ^= temp ^ a0Pa2_M4;
result[3] ^= temp ^ a1Pa3_M4;
}
memcpy(pState, result, 4);
}
}
///
// 函数名： block_encrypt
// 描述：对单块数据加密。
// 输入参数： pState -- 状态数据。
// 输出参数： pState -- 加密后的状态数据。
// 返回值：无。
///
static void block_encrypt(unsigned char *pState)
{
unsigned char i;
AddRoundKey(pState, g_roundKeyTable);
for (i = 1; i <= Nr; i++) // i = [1, Nr]
{
sub_bytes(pState, 4*Nb, 0);
shift_rows(pState, 0);
if (i != Nr)
{
mix_columns(pState, 0);
}
AddRoundKey(pState, &g_roundKeyTable[4*Nb*i]);
}
// 为了节省代码，合并到循化执行
// sub_bytes(pState, 4*Nb);
// shift_rows(pState, 0);
// AddRoundKey(pState, &g_roundKeyTable[4*Nb*Nr]);
}
///
// 函数名： block_decrypt
// 描述：对单块数据解密。
// 输入参数： pState -- 状态数据。
// 输出参数： pState -- 解密后的状态数据。
// 返回值：无。
///
static void block_decrypt(unsigned char *pState)
{
unsigned char i;
AddRoundKey(pState, &g_roundKeyTable[4*Nb*Nr]);
for (i = Nr; i > 0; i--) // i = [Nr, 1]
{
shift_rows(pState, 1);
sub_bytes(pState, 4*Nb, 1);
AddRoundKey(pState, &g_roundKeyTable[4*Nb*(i-1)]);
if (i != 1)
{
mix_columns(pState, 1);
}
}
// 为了节省代码，合并到循化执行
// shift_rows(pState, 1);
// sub_bytes(pState, 4*Nb, 1);
// AddRoundKey(pState, g_roundKeyTable);
}
/*****************************************************************************
* Global Functions 全局函数
******************************************************************************/
///
// 函数名： aes_init
// 描述：初始化，在此执行扩展密钥操作。
// 输入参数： pKey -- 原始密钥，其长度必须为 AES_KEY_LENGTH/8 字节。
// 输出参数：无。
// 返回值：无。
///
void aes_init(const void *pKey)
{
// 扩展密钥
unsigned char i;
unsigned char *pRoundKey;
unsigned char Rcon[4] = {0x01, 0x00, 0x00, 0x00};
memcpy(g_roundKeyTable, pKey, 4*Nk);
pRoundKey = &g_roundKeyTable[4*Nk];
for (i = Nk; i < Nb*(Nr+1); pRoundKey += 4, i++)
{
memcpy(pRoundKey, pRoundKey - 4, 4);
if (i % Nk == 0)
{
rotation_word(pRoundKey);
sub_bytes(pRoundKey, 4, 0);
xor_bytes(pRoundKey, Rcon, 4);
Rcon[0] = gf_mult_by02(Rcon[0]);
}
else if (Nk > 6 && i % Nk == Nb)
{
sub_bytes(pRoundKey, 4, 0);
}
xor_bytes(pRoundKey, pRoundKey - 4*Nk, 4);
}
}
//
// 函数名： aes_encrypt
// 描述：加密数据
// 输入参数： pPlainText -- 明文，即需加密的数据，其长度为nDataLen字节。
// nDataLen -- 数据长度，以字节为单位，必须为AES_KEY_LENGTH/8的整倍数。
// pIV -- 初始化向量，如果使用ECB模式，可设为NULL。
// 输出参数： pCipherText -- 密文，即由明文加密后的数据，可以与pPlainText相同。
// 返回值：无。
//
void aes_encrypt(const unsigned char *pPlainText, unsigned char *pCipherText,
unsigned int nDataLen, const unsigned char *pIV)
{
unsigned int i;
if (pPlainText != pCipherText)
{
memcpy(pCipherText, pPlainText, nDataLen);
}
for (i = nDataLen/(4*Nb); i > 0 ; i--, pCipherText += 4*Nb)
{
#if AES_MODE == AES_MODE_CBC
xor_bytes(pCipherText, pIV, 4*Nb);
#endif
block_encrypt(pCipherText);
pIV = pCipherText;
}
}
//
// 函数名： aes_decrypt
// 描述：解密数据
// 输入参数： pCipherText -- 密文，即需解密的数据，其长度为nDataLen字节。
// nDataLen -- 数据长度，以字节为单位，必须为AES_KEY_LENGTH/8的整倍数。
// pIV -- 初始化向量，如果使用ECB模式，可设为NULL。
// 输出参数： pPlainText -- 明文，即由密文解密后的数据，可以与pCipherText相同。
// 返回值：无。
//
void aes_decrypt( const unsigned char *pCipherText,unsigned char *pPlainText,
unsigned int nDataLen, const unsigned char *pIV)
{
unsigned int i;
if (pPlainText != pCipherText)
{
memcpy(pPlainText, pCipherText, nDataLen);
}
// 从最后一块数据开始解密，这样不用开辟空间来保存IV
pPlainText += nDataLen - 4*Nb;
for (i = nDataLen/(4*Nb); i > 0 ; i--, pPlainText -= 4*Nb)
{
block_decrypt(pPlainText);
#if AES_MODE == AES_MODE_CBC
if (i == 1)
{// 最后一块数据
xor_bytes(pPlainText, pIV, 4*Nb);
}
else
{
xor_bytes(pPlainText, pPlainText - 4*Nb, 4*Nb);
}
#endif
}
}