AES 加密演算法

AES（Advanced Encryption Standard，先進加密標準）是一種對稱密碼學算法，由美國國家標準與技術研究所（NIST）於 2001 年正式採用。AES 是目前最廣泛使用的加密標準之一，適用於各種應用場景，包括數據加密、網絡安全和存儲安全等。

AES 的基本特點

1. 對稱加密：AES 使用相同的密鑰進行加密和解密，這意味著發送方和接收方必須安全地共享密鑰。
2. 塊加密：AES 將數據分為固定大小的塊進行處理，標準塊大小為 128 位（16 字節）。
3. 密鑰長度：AES 支持三種密鑰長度：128 位、192 位和 256 位。密鑰長度越長，安全性越高。
4. 高效性：AES 在硬體和軟體上的運行速度都非常快，適合於各種設備。

AES 的工作原理

AES 的加密過程分為以下幾個主要步驟：

1. 密鑰擴展：根據原始密鑰生成一組子密鑰，這些子密鑰將在後續的加密輪次中使用。

2. 初始輪：

   • 將明文數據進行初始的字節替換（SubBytes）。
   • 根據第一個子密鑰進行加密（AddRoundKey）。

3. 主要輪次（對於 128 位密鑰，進行 10 輪）：

   • 字節替換（SubBytes）：使用 S-Box 對每個字節進行非線性替換。
   • 行移位（ShiftRows）：將每一行的字節向左移動一定的位數。
   • 列混合（MixColumns）：對每一列進行線性變換，增強擴散性。
   • 加密輪密鑰（AddRoundKey）：將當前數據與子密鑰進行 XOR 操作。

4. 最後輪（不進行列混合）：

   • 字節替換（SubBytes）。
   • 行移位（ShiftRows）。
   • 加密輪密鑰（AddRoundKey）。

AES 的解密過程

AES 的解密過程與加密過程相反，主要步驟如下：

1. 初始輪：

   • 將密文進行加密輪密鑰（AddRoundKey）。
   • 行移位（Inverse ShiftRows）。
   • 字節替換（Inverse SubBytes）。

2. 主要輪次（與加密過程相同）：

   • 加密輪密鑰（AddRoundKey）。
   • 列混合（Inverse MixColumns）。
   • 行移位（Inverse ShiftRows）。
   • 字節替換（Inverse SubBytes）。

3. 最後輪（不進行列混合）：

   • 加密輪密鑰（AddRoundKey）。
   • 行移位（Inverse ShiftRows）。
   • 字節替換（Inverse SubBytes）。

AES 的安全性

AES 被認為是非常安全的加密算法，至今尚未有有效的破解方法。其安全性主要來自於以下幾個方面：

1. 密鑰長度：使用 128、192 或 256 位的密鑰使得暴力破解變得幾乎不可能。
2. 加密結構：多輪的加密過程和複雜的非線性替換增強了算法的安全性。
3. 廣泛的使用：AES 已經被多個國際標準化機構和政府機構廣泛接受並使用。

應用場景

AES 被廣泛應用於各種場景，包括：

• 數據加密：用於保護存儲在硬碟、數據庫中的敏感信息。
• 網絡安全：用於保護互聯網通信，如 HTTPS 和 VPN。
• 加密文件系統：如 BitLocker 和 FileVault 等加密技術。
• 無線通信：如 Wi-Fi 安全協議 WPA2 和 WPA3。

總結

AES 是一種高效、安全的對稱加密算法，適用於各種應用場景。其設計考慮了安全性和性能，使其成為當前最流行的加密標準之一。隨著數位安全需求的增加，AES 將繼續在保護數據和通信中發揮重要作用。