AES（高级加密标准）是一种对称分组加密算法，其核心原理是通过多轮 “混淆”（打乱数据与密钥的关系）和 “扩散”（将数据的微小变化扩散到整个密文）操作，将明文转化为无法直接解读的密文。以下从整体流程、核心操作、密钥扩展等方面详细解析其加密原理：
AES 的加密过程基于两个核心参数：
- 分组长度：固定为 128 位（16 字节）。无论明文长度如何，都会被分割为 128 位的块（最后一块不足时用标准填充方式补齐，如 PKCS#7）。
- 密钥长度：支持 128 位、192 位、256 位（对应 AES-128/192/256），密钥长度决定加密轮数（10 轮、12 轮、14 轮），轮数越多，安全性越高。
AES 加密是一个多轮迭代过程，每轮包含 4 个核心操作（部分轮次略有差异）。以 128 位明文块为例，流程如下：
- 将明文块转换为 16 字节的 “状态矩阵”（4 行 ×4 列，每个元素 1 字节）；
- 初始轮：执行 “轮密钥加”（AddRoundKey），将原始密钥的扩展密钥与状态矩阵混合；
- 多轮迭代：根据密钥长度执行 10/12/14 轮 操作，每轮包含字节替换（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混合（MixColumns）、轮密钥加（AddRoundKey）；
- 注意：最后一轮不执行 “列混合”（MixColumns），仅保留前 3 个操作，确保加密和解密的对称性；
- 迭代结束后，将状态矩阵转换为 128 位密文块。
AES 的安全性依赖于 4 个操作的协同作用，通过数学变换实现 “混淆” 和 “扩散”：
作用：将状态矩阵中的每个字节替换为另一个字节，打破明文与密文的线性关系（混淆）。
操作方式：
- 每个字节（8 位）被视为 “伽罗瓦域 GF (2⁸)” 中的元素（可理解为一个 0-255 的整数）；
- 通过 “逆元计算” 和 “仿射变换” 两个步骤，将字节映射到一个预设的 8×8 表格（S 盒）中的对应值。例如：S 盒中 0x00→0x63，0x01→0x7c， etc.
- S 盒是固定且公开的，其设计确保任何输入的微小变化都会导致输出的显著差异（雪崩效应）。
作用：将状态矩阵的行进行循环移位，将单个字节的变化扩散到整个矩阵（扩散）。
操作方式（4 行 ×4 列矩阵）：
- 第 0 行：不移位（保持原样）；
- 第 1 行：左移 1 位（每行 4 字节，左移后第 1 行第 0 列元素移到第 1 列，第 1 列→第 2 列， etc.）；
- 第 2 行：左移 2 位；
- 第 3 行：左移 3 位。
- 示例：移位前第 1 行是 [a, b, c, d]，移位后变为 [b, c, d, a]。
作用：将状态矩阵的列视为伽罗瓦域中的多项式，通过乘法运算混合列内元素，使单个字节的变化影响整个列（进一步扩散）。
操作方式：
- 每列的 4 个字节（视为多项式 a (x) = a₀ + a₁x + a₂x² + a₃x³）与固定多项式 c (x) = 0x02 + 0x01x + 0x01x² + 0x03x³ 在 GF (2⁸) 中相乘；
- 乘法结果生成新的列元素，例如：新列第 0 个字节 = (2×a₀) ⊕ (1×a₁) ⊕ (1×a₂) ⊕ (3×a₃)（⊕为异或）。
- 最后一轮不执行此操作，确保解密时可通过逆列混合（InvMixColumns）还原。
作用：将轮密钥与状态矩阵进行异或（XOR）运算，将密钥信息注入数据（每轮注入不同的轮密钥）。
操作方式：
- 轮密钥是通过 “密钥扩展” 生成的 128 位密钥（与分组长度相同）；
- 状态矩阵的每个字节与轮密钥中对应位置的字节进行异或（例如：状态 [0][0] ⊕ 轮密钥 [0][0]， etc.）。
- 异或运算的特性（可逆，a⊕b⊕b=a）确保解密时用相同轮密钥即可还原。
原始密钥（128/192/256 位）需通过 “密钥扩展算法” 生成多轮密钥（轮数 + 1 个），例如：
- AES-128：10 轮加密，需 11 个轮密钥（初始轮 + 10 轮）；
- AES-256：14 轮加密，需 15 个轮密钥。
扩展规则：
- 前 N 个轮密钥（N = 原始密钥长度 / 32）直接取自原始密钥；
- 后续轮密钥通过前一个轮密钥的 “旋转”“S 盒替换”“轮常量异或” 生成，确保轮密钥之间关联性低、随机性高。
解密是加密的逆过程，每一步对应加密的逆操作：
- 字节替换 → 逆字节替换（InvSubBytes，使用逆 S 盒）；
- 行移位 → 逆行移位（InvShiftRows，右移对应位数）；
- 列混合 → 逆列混合（InvMixColumns，使用逆多项式）；
- 轮密钥加 → 相同（异或可逆）。
解密使用与加密相同的轮密钥，但顺序相反（最后一轮轮密钥先使用）。
AES 通过多轮迭代的混淆（SubBytes）和扩散（ShiftRows+MixColumns），结合密钥的动态注入（轮密钥加），使明文与密文的关系变得极其复杂 —— 即使明文只有 1 位变化，密文也会有大约一半的位变化（雪崩效应）。这种设计让攻击者无法通过分析明文 - 密文对推导出密钥，也难以通过数学方法破解（目前无有效密码分析攻击）。正是这种严谨的数学结构和多轮变换，使 AES 成为全球公认的最安全、最高效的对称加密标准之一。
Xikuer 希葵锦尚网络
