AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是目前全球最广泛使用的对称加密算法。它由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年发布，旨在替代之前的DES（Data Encryption Standard）标准。

核心概念

1. 对称加密 (Symmetric Encryption)

- AES是一种对称加密算法，意味着加密和解密使用同一个密钥。这就像用同一把钥匙锁门和开门。

- 与之相对的是非对称加密（如RSA），使用公钥加密，私钥解密。

2. 分组密码 (Block Cipher)

- AES是一种分组密码，它将明文分成固定大小的块进行处理。

- AES的分组大小固定为128位（16字节）。无论输入数据多长，它都会先被分割成128位的数据块，然后对每个块进行独立加密。如果最后一个块不足128位，则需要进行填充（Padding）。

3. 密钥长度 (Key Length)

- AES支持三种不同的密钥长度，这也是其安全性的主要决定因素：

- AES-128: 使用128位（16字节）的密钥。

- AES-192: 使用192位（24字节）的密钥。

- AES-256: 使用256位（32字节）的密钥。

- 密钥越长，理论上破解所需的计算量就越大，安全性也就越高。AES-256提供了最高级别的安全性。

工作流程

AES的加密过程主要由多轮（Round）变换组成，每一轮都包含一系列复杂的操作。轮数取决于密钥长度：

- AES-128: 10轮

- AES-192: 12轮

- AES-256: 14轮

每一轮（除了最后一轮）包含四个步骤：

1. 字节代换 (SubBytes)

- 这是一个非线性变换，通过一个固定的S盒（S-Box）将每个字节替换为另一个字节。这个步骤增加了算法的混淆性。

2. 行移位 (ShiftRows)

- 将状态矩阵的每一行进行循环左移。不同的行移位的位数不同。这个步骤提供了扩散性，使得一个字节的变化可以影响到整个块。

3. 列混合 (MixColumns)

- 将状态矩阵的每一列视为一个4阶的多项式，然后与一个固定的多项式进行模运算。这进一步增强了扩散性，使每一列的变化都能影响到所有行。

4. 轮密钥加 (AddRoundKey)

- 将当前的状态矩阵与轮密钥（从原始密钥派生出的子密钥）进行逐位异或（XOR）运算。这是唯一使用密钥的步骤，将密钥信息混合到数据中。

最后一轮会省略“列混合”步骤，并使用一个不同的轮密钥。

工作模式 (Operation Modes)

由于AES本身只加密一个128位的数据块，直接对长数据块进行独立加密会产生安全问题（如相同的明文块会生成相同的密文块）。因此，需要使用工作模式来处理连续的数据块。常见的工作模式有：

- ECB (Electronic Codebook Mode): 最简单的模式，每个块独立加密。安全性差，不推荐使用，因为它会暴露数据的模式。

- CBC (Cipher Block Chaining Mode): 前一个密文块会与当前的明文块进行XOR运算后再加密。需要一个随机的初始化向量（IV）。这是一种非常经典和广泛使用的模式。

- GCM (Galois/Counter Mode): 一种现代的、高效的认证加密模式。它在加密的同时还能提供数据完整性和真实性校验（通过一个认证标签Tag）。这是目前最推荐使用的模式之一，因为它能同时保证机密性和完整性。

- CTR (Counter Mode): 将一个计数器的值加密，然后与明文块进行XOR得到密文。它可以并行处理，效率很高。

应用领域

AES的应用无处不在，是现代信息安全的基石：

- 网络通信: HTTPS/TLS协议（网站加密）、IPsec（VPN加密）。

- 文件加密: 操作系统的全盘加密（如BitLocker, FileVault）、ZIP压缩文件加密。

- 数据存储: 数据库加密、云存储加密。

- 移动设备: 智能手机中的数据加密。

- 即时通讯: 保护聊天内容（如Signal, WhatsApp等应用的端到端加密）。

总结

AES是一个设计精良、安全可靠且性能高效的加密标准。它的广泛采用和经过多年的密码学分析，证明了其强大的安全性。在实际应用中，选择合适的密钥长度（通常是AES-256）和安全的工作模式（如GCM）是确保数据安全的关键。