Колонны Rijndael Mix Rijndael MixColumns

Операция MixColumns, выполняемая шифром Rijndael , наряду с шагом ShiftRows, является основным источником распространения в Rijndael. Каждый столбец рассматривается как полином с четырьмя членами, которые являются элементами поля . Коэффициенты полиномов являются элементами в пределах простого подполя .

Каждый столбец умножается на фиксированный полином по модулю ; обратным к этому многочлену является .

MixColumns

Операция заключается в модульном умножении двух четырехчленных многочленов, коэффициенты которых являются элементами . Модуль, используемый для этой операции, равен .

Первые четырехчленные полиномиальные коэффициенты определяются столбцом состояния , который содержит четыре байта. Каждый байт является коэффициентом четырехчленного, так что

Второй четырехчленный многочлен является постоянным многочленом . Его коэффициенты также являются элементами . Его обратное .

Нам нужно определить некоторые обозначения:

обозначает умножение по модулю .
обозначает сложение .
обозначает умножение (обычное умножение полиномов между полиномами и умножение по коэффициентам).

Сложение двух многочленов, коэффициенты которых являются элементами, выполняется по следующему правилу:

Демонстрация

Многочлен будет выражен как .

Полиномиальное умножение

куда:

Модульное сокращение

В результате получается семичленный многочлен, который необходимо сократить до четырехбайтового слова, что достигается умножением по модулю .

Если мы проделаем некоторые базовые полиномиальные модульные операции, мы увидим, что:

В целом можно сказать, что

Так

куда

Матричное представление

Коэффициент , , и также может быть выражено следующим образом :

И когда мы заменяем коэффициенты на константы, используемые в шифре, мы получаем следующее:

Это демонстрирует, что сама операция похожа на шифр Хилла . Это может быть выполнено путем умножения координатного вектора из четырех чисел в поле Галуа Райндаля на следующую циркулянтную матрицу MDS :

Пример реализации

В реальной реализации это можно несколько упростить, заменив умножение на 2 одним сдвигом и условным исключающим или, а также заменив умножение на 3 на умножение на 2 в сочетании с исключающим или. С примером такой реализации следующим образом :

void gmix_column(unsigned char *r) {
    unsigned char a[4];
    unsigned char b[4];
    unsigned char c;
    unsigned char h;
    /* The array 'a' is simply a copy of the input array 'r'
     * The array 'b' is each element of the array 'a' multiplied by 2
     * in Rijndael's Galois field
     * a[n] ^ b[n] is element n multiplied by 3 in Rijndael's Galois field */ 
    for (c = 0; c < 4; c++) {
        a[c] = r[c];
        /* h is 0xff if the high bit of r[c] is set, 0 otherwise */
        h = (r[c] >> 7) & 1; /* arithmetic right shift, thus shifting in either zeros or ones */
        b[c] = r[c] << 1; /* implicitly removes high bit because b[c] is an 8-bit char, so we xor by 0x1b and not 0x11b in the next line */
        b[c] ^= h * 0x1B; /* Rijndael's Galois field */
    }
    r[0] = b[0] ^ a[3] ^ a[2] ^ b[1] ^ a[1]; /* 2 * a0 + a3 + a2 + 3 * a1 */
    r[1] = b[1] ^ a[0] ^ a[3] ^ b[2] ^ a[2]; /* 2 * a1 + a0 + a3 + 3 * a2 */
    r[2] = b[2] ^ a[1] ^ a[0] ^ b[3] ^ a[3]; /* 2 * a2 + a1 + a0 + 3 * a3 */
    r[3] = b[3] ^ a[2] ^ a[1] ^ b[0] ^ a[0]; /* 2 * a3 + a2 + a1 + 3 * a0 */
}

Пример AC #

private byte GMul(byte a, byte b) { // Galois Field (256) Multiplication of two Bytes
    byte p = 0;

    for (int counter = 0; counter < 8; counter++) {
        if ((b & 1) != 0) {
            p ^= a;
        }

        bool hi_bit_set = (a & 0x80) != 0;
        a <<= 1;
        if (hi_bit_set) {
            a ^= 0x1B; /* x^8 + x^4 + x^3 + x + 1 */
        }
        b >>= 1;
    }

    return p;
}

private void MixColumns() { // 's' is the main State matrix, 'ss' is a temp matrix of the same dimensions as 's'.
    Array.Clear(ss, 0, ss.Length);

    for (int c = 0; c < 4; c++) {
        ss[0, c] = (byte)(GMul(0x02, s[0, c]) ^ GMul(0x03, s[1, c]) ^ s[2, c] ^ s[3, c]);
        ss[1, c] = (byte)(s[0, c] ^ GMul(0x02, s[1, c]) ^ GMul(0x03, s[2, c]) ^ s[3,c]);
        ss[2, c] = (byte)(s[0, c] ^ s[1, c] ^ GMul(0x02, s[2, c]) ^ GMul(0x03, s[3, c]));
        ss[3, c] = (byte)(GMul(0x03, s[0,c]) ^ s[1, c] ^ s[2, c] ^ GMul(0x02, s[3, c]));
    }

    ss.CopyTo(s, 0);
}

Тестовые векторы для MixColumn ()

Шестнадцатеричный Десятичный
До После До После
дб 13 53 45 8e 4d a1 до н.э. 219 19 83 69 142 77 161 188
f2 0a 22 5c 9f dc 58 9d 242 10 34 92 159 220 88 157
01 01 01 01 01 01 01 01 1 1 1 1 1 1 1 1
c6 c6 c6 c6 c6 c6 c6 c6 198 198 198 198 198 198 198 198
d4 d4 d4 d5 d5 d5 d7 d6 212 212 212 213 213 213 215 214
2d 26 31 4c 4d 7e bd f8 45 38 49 76 77 126 189 248

InverseMixColumns

Операция MixColumns имеет следующий обратный (числа являются десятичными):

Или:

Справочные таблицы умножения Галуа

Обычно, вместо реализации умножения Галуа, реализации Rijndael просто используют предварительно вычисленные таблицы поиска для выполнения умножения байтов на 2, 3, 9, 11, 13 и 14.

Например, в C # эти таблицы могут храниться в массивах Byte [256]. Чтобы вычислить

p * 3

Результат получается так:

result = table_3[(int)p]

Вот некоторые из наиболее распространенных примеров этих таблиц поиска:

Умножить на 2:

0x00,0x02,0x04,0x06,0x08,0x0a,0x0c,0x0e,0x10,0x12,0x14,0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,
0x20,0x22,0x24,0x26,0x28,0x2a,0x2c,0x2e,0x30,0x32,0x34,0x36,0x38,0x3a,0x3c,0x3e,
0x40,0x42,0x44,0x46,0x48,0x4a,0x4c,0x4e,0x50,0x52,0x54,0x56,0x58,0x5a,0x5c,0x5e,
0x60,0x62,0x64,0x66,0x68,0x6a,0x6c,0x6e,0x70,0x72,0x74,0x76,0x78,0x7a,0x7c,0x7e,	
0x80,0x82,0x84,0x86,0x88,0x8a,0x8c,0x8e,0x90,0x92,0x94,0x96,0x98,0x9a,0x9c,0x9e,
0xa0,0xa2,0xa4,0xa6,0xa8,0xaa,0xac,0xae,0xb0,0xb2,0xb4,0xb6,0xb8,0xba,0xbc,0xbe,
0xc0,0xc2,0xc4,0xc6,0xc8,0xca,0xcc,0xce,0xd0,0xd2,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdc,0xde,
0xe0,0xe2,0xe4,0xe6,0xe8,0xea,0xec,0xee,0xf0,0xf2,0xf4,0xf6,0xf8,0xfa,0xfc,0xfe,
0x1b,0x19,0x1f,0x1d,0x13,0x11,0x17,0x15,0x0b,0x09,0x0f,0x0d,0x03,0x01,0x07,0x05,
0x3b,0x39,0x3f,0x3d,0x33,0x31,0x37,0x35,0x2b,0x29,0x2f,0x2d,0x23,0x21,0x27,0x25,
0x5b,0x59,0x5f,0x5d,0x53,0x51,0x57,0x55,0x4b,0x49,0x4f,0x4d,0x43,0x41,0x47,0x45,
0x7b,0x79,0x7f,0x7d,0x73,0x71,0x77,0x75,0x6b,0x69,0x6f,0x6d,0x63,0x61,0x67,0x65,
0x9b,0x99,0x9f,0x9d,0x93,0x91,0x97,0x95,0x8b,0x89,0x8f,0x8d,0x83,0x81,0x87,0x85,
0xbb,0xb9,0xbf,0xbd,0xb3,0xb1,0xb7,0xb5,0xab,0xa9,0xaf,0xad,0xa3,0xa1,0xa7,0xa5,
0xdb,0xd9,0xdf,0xdd,0xd3,0xd1,0xd7,0xd5,0xcb,0xc9,0xcf,0xcd,0xc3,0xc1,0xc7,0xc5,
0xfb,0xf9,0xff,0xfd,0xf3,0xf1,0xf7,0xf5,0xeb,0xe9,0xef,0xed,0xe3,0xe1,0xe7,0xe5

Умножить на 3:

0x00,0x03,0x06,0x05,0x0c,0x0f,0x0a,0x09,0x18,0x1b,0x1e,0x1d,0x14,0x17,0x12,0x11,
0x30,0x33,0x36,0x35,0x3c,0x3f,0x3a,0x39,0x28,0x2b,0x2e,0x2d,0x24,0x27,0x22,0x21,
0x60,0x63,0x66,0x65,0x6c,0x6f,0x6a,0x69,0x78,0x7b,0x7e,0x7d,0x74,0x77,0x72,0x71,
0x50,0x53,0x56,0x55,0x5c,0x5f,0x5a,0x59,0x48,0x4b,0x4e,0x4d,0x44,0x47,0x42,0x41,
0xc0,0xc3,0xc6,0xc5,0xcc,0xcf,0xca,0xc9,0xd8,0xdb,0xde,0xdd,0xd4,0xd7,0xd2,0xd1,
0xf0,0xf3,0xf6,0xf5,0xfc,0xff,0xfa,0xf9,0xe8,0xeb,0xee,0xed,0xe4,0xe7,0xe2,0xe1,
0xa0,0xa3,0xa6,0xa5,0xac,0xaf,0xaa,0xa9,0xb8,0xbb,0xbe,0xbd,0xb4,0xb7,0xb2,0xb1,
0x90,0x93,0x96,0x95,0x9c,0x9f,0x9a,0x99,0x88,0x8b,0x8e,0x8d,0x84,0x87,0x82,0x81,	
0x9b,0x98,0x9d,0x9e,0x97,0x94,0x91,0x92,0x83,0x80,0x85,0x86,0x8f,0x8c,0x89,0x8a,
0xab,0xa8,0xad,0xae,0xa7,0xa4,0xa1,0xa2,0xb3,0xb0,0xb5,0xb6,0xbf,0xbc,0xb9,0xba,
0xfb,0xf8,0xfd,0xfe,0xf7,0xf4,0xf1,0xf2,0xe3,0xe0,0xe5,0xe6,0xef,0xec,0xe9,0xea,	
0xcb,0xc8,0xcd,0xce,0xc7,0xc4,0xc1,0xc2,0xd3,0xd0,0xd5,0xd6,0xdf,0xdc,0xd9,0xda,	
0x5b,0x58,0x5d,0x5e,0x57,0x54,0x51,0x52,0x43,0x40,0x45,0x46,0x4f,0x4c,0x49,0x4a,
0x6b,0x68,0x6d,0x6e,0x67,0x64,0x61,0x62,0x73,0x70,0x75,0x76,0x7f,0x7c,0x79,0x7a,	
0x3b,0x38,0x3d,0x3e,0x37,0x34,0x31,0x32,0x23,0x20,0x25,0x26,0x2f,0x2c,0x29,0x2a,
0x0b,0x08,0x0d,0x0e,0x07,0x04,0x01,0x02,0x13,0x10,0x15,0x16,0x1f,0x1c,0x19,0x1a

Умножить на 9:

0x00,0x09,0x12,0x1b,0x24,0x2d,0x36,0x3f,0x48,0x41,0x5a,0x53,0x6c,0x65,0x7e,0x77,
0x90,0x99,0x82,0x8b,0xb4,0xbd,0xa6,0xaf,0xd8,0xd1,0xca,0xc3,0xfc,0xf5,0xee,0xe7,
0x3b,0x32,0x29,0x20,0x1f,0x16,0x0d,0x04,0x73,0x7a,0x61,0x68,0x57,0x5e,0x45,0x4c,
0xab,0xa2,0xb9,0xb0,0x8f,0x86,0x9d,0x94,0xe3,0xea,0xf1,0xf8,0xc7,0xce,0xd5,0xdc,
0x76,0x7f,0x64,0x6d,0x52,0x5b,0x40,0x49,0x3e,0x37,0x2c,0x25,0x1a,0x13,0x08,0x01,
0xe6,0xef,0xf4,0xfd,0xc2,0xcb,0xd0,0xd9,0xae,0xa7,0xbc,0xb5,0x8a,0x83,0x98,0x91,
0x4d,0x44,0x5f,0x56,0x69,0x60,0x7b,0x72,0x05,0x0c,0x17,0x1e,0x21,0x28,0x33,0x3a,
0xdd,0xd4,0xcf,0xc6,0xf9,0xf0,0xeb,0xe2,0x95,0x9c,0x87,0x8e,0xb1,0xb8,0xa3,0xaa,	
0xec,0xe5,0xfe,0xf7,0xc8,0xc1,0xda,0xd3,0xa4,0xad,0xb6,0xbf,0x80,0x89,0x92,0x9b,	
0x7c,0x75,0x6e,0x67,0x58,0x51,0x4a,0x43,0x34,0x3d,0x26,0x2f,0x10,0x19,0x02,0x0b,
0xd7,0xde,0xc5,0xcc,0xf3,0xfa,0xe1,0xe8,0x9f,0x96,0x8d,0x84,0xbb,0xb2,0xa9,0xa0,
0x47,0x4e,0x55,0x5c,0x63,0x6a,0x71,0x78,0x0f,0x06,0x1d,0x14,0x2b,0x22,0x39,0x30,
0x9a,0x93,0x88,0x81,0xbe,0xb7,0xac,0xa5,0xd2,0xdb,0xc0,0xc9,0xf6,0xff,0xe4,0xed,
0x0a,0x03,0x18,0x11,0x2e,0x27,0x3c,0x35,0x42,0x4b,0x50,0x59,0x66,0x6f,0x74,0x7d,	
0xa1,0xa8,0xb3,0xba,0x85,0x8c,0x97,0x9e,0xe9,0xe0,0xfb,0xf2,0xcd,0xc4,0xdf,0xd6,
0x31,0x38,0x23,0x2a,0x15,0x1c,0x07,0x0e,0x79,0x70,0x6b,0x62,0x5d,0x54,0x4f,0x46

Умножаем на 11 (0xB):

0x00,0x0b,0x16,0x1d,0x2c,0x27,0x3a,0x31,0x58,0x53,0x4e,0x45,0x74,0x7f,0x62,0x69,
0xb0,0xbb,0xa6,0xad,0x9c,0x97,0x8a,0x81,0xe8,0xe3,0xfe,0xf5,0xc4,0xcf,0xd2,0xd9,
0x7b,0x70,0x6d,0x66,0x57,0x5c,0x41,0x4a,0x23,0x28,0x35,0x3e,0x0f,0x04,0x19,0x12,
0xcb,0xc0,0xdd,0xd6,0xe7,0xec,0xf1,0xfa,0x93,0x98,0x85,0x8e,0xbf,0xb4,0xa9,0xa2,
0xf6,0xfd,0xe0,0xeb,0xda,0xd1,0xcc,0xc7,0xae,0xa5,0xb8,0xb3,0x82,0x89,0x94,0x9f,
0x46,0x4d,0x50,0x5b,0x6a,0x61,0x7c,0x77,0x1e,0x15,0x08,0x03,0x32,0x39,0x24,0x2f,
0x8d,0x86,0x9b,0x90,0xa1,0xaa,0xb7,0xbc,0xd5,0xde,0xc3,0xc8,0xf9,0xf2,0xef,0xe4,
0x3d,0x36,0x2b,0x20,0x11,0x1a,0x07,0x0c,0x65,0x6e,0x73,0x78,0x49,0x42,0x5f,0x54,
0xf7,0xfc,0xe1,0xea,0xdb,0xd0,0xcd,0xc6,0xaf,0xa4,0xb9,0xb2,0x83,0x88,0x95,0x9e,
0x47,0x4c,0x51,0x5a,0x6b,0x60,0x7d,0x76,0x1f,0x14,0x09,0x02,0x33,0x38,0x25,0x2e,
0x8c,0x87,0x9a,0x91,0xa0,0xab,0xb6,0xbd,0xd4,0xdf,0xc2,0xc9,0xf8,0xf3,0xee,0xe5,
0x3c,0x37,0x2a,0x21,0x10,0x1b,0x06,0x0d,0x64,0x6f,0x72,0x79,0x48,0x43,0x5e,0x55,
0x01,0x0a,0x17,0x1c,0x2d,0x26,0x3b,0x30,0x59,0x52,0x4f,0x44,0x75,0x7e,0x63,0x68,
0xb1,0xba,0xa7,0xac,0x9d,0x96,0x8b,0x80,0xe9,0xe2,0xff,0xf4,0xc5,0xce,0xd3,0xd8,
0x7a,0x71,0x6c,0x67,0x56,0x5d,0x40,0x4b,0x22,0x29,0x34,0x3f,0x0e,0x05,0x18,0x13,
0xca,0xc1,0xdc,0xd7,0xe6,0xed,0xf0,0xfb,0x92,0x99,0x84,0x8f,0xbe,0xb5,0xa8,0xa3

Умножаем на 13 (0xD):

0x00,0x0d,0x1a,0x17,0x34,0x39,0x2e,0x23,0x68,0x65,0x72,0x7f,0x5c,0x51,0x46,0x4b,
0xd0,0xdd,0xca,0xc7,0xe4,0xe9,0xfe,0xf3,0xb8,0xb5,0xa2,0xaf,0x8c,0x81,0x96,0x9b,
0xbb,0xb6,0xa1,0xac,0x8f,0x82,0x95,0x98,0xd3,0xde,0xc9,0xc4,0xe7,0xea,0xfd,0xf0,
0x6b,0x66,0x71,0x7c,0x5f,0x52,0x45,0x48,0x03,0x0e,0x19,0x14,0x37,0x3a,0x2d,0x20,
0x6d,0x60,0x77,0x7a,0x59,0x54,0x43,0x4e,0x05,0x08,0x1f,0x12,0x31,0x3c,0x2b,0x26,
0xbd,0xb0,0xa7,0xaa,0x89,0x84,0x93,0x9e,0xd5,0xd8,0xcf,0xc2,0xe1,0xec,0xfb,0xf6,
0xd6,0xdb,0xcc,0xc1,0xe2,0xef,0xf8,0xf5,0xbe,0xb3,0xa4,0xa9,0x8a,0x87,0x90,0x9d,
0x06,0x0b,0x1c,0x11,0x32,0x3f,0x28,0x25,0x6e,0x63,0x74,0x79,0x5a,0x57,0x40,0x4d,
0xda,0xd7,0xc0,0xcd,0xee,0xe3,0xf4,0xf9,0xb2,0xbf,0xa8,0xa5,0x86,0x8b,0x9c,0x91,
0x0a,0x07,0x10,0x1d,0x3e,0x33,0x24,0x29,0x62,0x6f,0x78,0x75,0x56,0x5b,0x4c,0x41,
0x61,0x6c,0x7b,0x76,0x55,0x58,0x4f,0x42,0x09,0x04,0x13,0x1e,0x3d,0x30,0x27,0x2a,
0xb1,0xbc,0xab,0xa6,0x85,0x88,0x9f,0x92,0xd9,0xd4,0xc3,0xce,0xed,0xe0,0xf7,0xfa,
0xb7,0xba,0xad,0xa0,0x83,0x8e,0x99,0x94,0xdf,0xd2,0xc5,0xc8,0xeb,0xe6,0xf1,0xfc,
0x67,0x6a,0x7d,0x70,0x53,0x5e,0x49,0x44,0x0f,0x02,0x15,0x18,0x3b,0x36,0x21,0x2c,
0x0c,0x01,0x16,0x1b,0x38,0x35,0x22,0x2f,0x64,0x69,0x7e,0x73,0x50,0x5d,0x4a,0x47,
0xdc,0xd1,0xc6,0xcb,0xe8,0xe5,0xf2,0xff,0xb4,0xb9,0xae,0xa3,0x80,0x8d,0x9a,0x97

Умножаем на 14 (0xE):

0x00,0x0e,0x1c,0x12,0x38,0x36,0x24,0x2a,0x70,0x7e,0x6c,0x62,0x48,0x46,0x54,0x5a,
0xe0,0xee,0xfc,0xf2,0xd8,0xd6,0xc4,0xca,0x90,0x9e,0x8c,0x82,0xa8,0xa6,0xb4,0xba,
0xdb,0xd5,0xc7,0xc9,0xe3,0xed,0xff,0xf1,0xab,0xa5,0xb7,0xb9,0x93,0x9d,0x8f,0x81,
0x3b,0x35,0x27,0x29,0x03,0x0d,0x1f,0x11,0x4b,0x45,0x57,0x59,0x73,0x7d,0x6f,0x61,
0xad,0xa3,0xb1,0xbf,0x95,0x9b,0x89,0x87,0xdd,0xd3,0xc1,0xcf,0xe5,0xeb,0xf9,0xf7,
0x4d,0x43,0x51,0x5f,0x75,0x7b,0x69,0x67,0x3d,0x33,0x21,0x2f,0x05,0x0b,0x19,0x17,
0x76,0x78,0x6a,0x64,0x4e,0x40,0x52,0x5c,0x06,0x08,0x1a,0x14,0x3e,0x30,0x22,0x2c,
0x96,0x98,0x8a,0x84,0xae,0xa0,0xb2,0xbc,0xe6,0xe8,0xfa,0xf4,0xde,0xd0,0xc2,0xcc,
0x41,0x4f,0x5d,0x53,0x79,0x77,0x65,0x6b,0x31,0x3f,0x2d,0x23,0x09,0x07,0x15,0x1b,
0xa1,0xaf,0xbd,0xb3,0x99,0x97,0x85,0x8b,0xd1,0xdf,0xcd,0xc3,0xe9,0xe7,0xf5,0xfb,
0x9a,0x94,0x86,0x88,0xa2,0xac,0xbe,0xb0,0xea,0xe4,0xf6,0xf8,0xd2,0xdc,0xce,0xc0,
0x7a,0x74,0x66,0x68,0x42,0x4c,0x5e,0x50,0x0a,0x04,0x16,0x18,0x32,0x3c,0x2e,0x20,
0xec,0xe2,0xf0,0xfe,0xd4,0xda,0xc8,0xc6,0x9c,0x92,0x80,0x8e,0xa4,0xaa,0xb8,0xb6,
0x0c,0x02,0x10,0x1e,0x34,0x3a,0x28,0x26,0x7c,0x72,0x60,0x6e,0x44,0x4a,0x58,0x56,
0x37,0x39,0x2b,0x25,0x0f,0x01,0x13,0x1d,0x47,0x49,0x5b,0x55,0x7f,0x71,0x63,0x6d,
0xd7,0xd9,0xcb,0xc5,0xef,0xe1,0xf3,0xfd,0xa7,0xa9,0xbb,0xb5,0x9f,0x91,0x83,0x8d

использованная литература

Смотрите также