`AES` 是现代计算机系统中使用最广泛的对称加密算法之一，全称是 `Advanced Encryption Standard`，中文通常译为高级加密标准。

如果把它和刚才讨论的 `WPA2-PSK` 联系起来理解，会非常直观。`WPA2-PSK` 中的 `PSK` 解决的是通信双方如何基于共享秘密建立密钥的问题，而 `AES` 主要解决的是拿到密钥之后，怎样把原始数据变成没有密钥就难以理解的密文。

可以先记住一句话

```text
AES = 使用同一把密钥进行加密和解密的分组对称加密算法
```

NIST 在 `FIPS 197` 中正式定义了 AES。AES 固定以 `128 bit`，也就是 `16 Byte` 为一个数据块进行处理，并支持 `128 bit`、`192 bit` 和 `256 bit` 三种密钥长度。[NIST](https://www.nist.gov/publications/advanced-encryption-standard-aes?utm_source=chatgpt.com)

## 从最简单的例子理解 AES

假设原始数据是

```text
Hello Jerry
```

我们还有一把密钥

```text
SecretKey...
```

AES 加密之后，得到的不会再是能够直接阅读的文字，而是一串类似随机数据的密文

```text
明文
Hello Jerry

        │
        │ AES 加密
        │ + 密钥 K
        ▼

密文
8A 7F 31 92 4C ...
```

拥有正确密钥的一方再执行解密

```text
密文
8A 7F 31 92 4C ...

        │
        │ AES 解密
        │ + 同一密钥 K
        ▼

明文
Hello Jerry
```

所以它属于对称密码体系。

所谓对称，就是

```text
加密使用 K
解密也使用 K
```

这与 `RSA` 这样的非对称密码不同。

`RSA` 通常存在

```text
公钥
Private / Public Key Pair 中的 Public Key

私钥
Private Key
```

而 AES 没有这种公钥、私钥的区分。

从这一点可以建立一个非常实用的认知

```text
AES
擅长高速加密大量数据

RSA / ECC
擅长密钥交换、数字签名等公钥密码任务
```

现实的 `TLS`、VPN、磁盘加密等系统，经常把两类密码技术组合起来使用，而不是让它们互相取代。

---

## 为什么叫分组加密算法

AES 还有一个极其重要的属性

```text
Block Cipher
分组密码
```

AES 并不是一次把一个几 GB 的文件整体塞进去处理。

它的核心算法一次处理固定大小的数据块。

对于 AES，这个大小永远是

```text
128 bit
=
16 Byte
```

无论使用的是

```text
AES-128
AES-192
AES-256
```

数据块大小都还是

```text
128 bit
```

变化的是密钥长度，而不是数据块长度。NIST 的最新 `FIPS 197` 明确规定，AES 的三个标准成员都处理 `128 bit` 数据块。[NIST Computer Security Resource Center](https://csrc.nist.gov/pubs/fips/197/final?utm_source=chatgpt.com)

这是考试里非常容易混淆的一点。

例如

```text
AES-256
```

并不表示 AES 一次处理 `256 bit` 数据。

它表示

```text
密钥长度 = 256 bit
```

而数据块仍然是

```text
128 bit
```

可以整理成

| 算法 | 密钥长度 | 分组长度 | 加密轮数 |
|---|---:|---:|---:|
| AES-128 | 128 bit | 128 bit | 10 |
| AES-192 | 192 bit | 128 bit | 12 |
| AES-256 | 256 bit | 128 bit | 14 |

这三个参数组合就是 `FIPS 197` 所规定的标准 AES。[NIST Publications](https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/fips/nist.fips.197.pdf?utm_source=chatgpt.com)

---

## AES 内部究竟做了什么

AES 最有意思的地方就在这里。

假设现在有一个 `128 bit` 数据块，也就是

```text
16 Byte
```

AES 不会简单地拿这 16 个字节和密钥做一次异或就结束。

它会把这 16 个字节组织成一个 `4 × 4` 的字节矩阵，称为

```text
State
```

可以把它想象成

```text
┌────┬────┬────┬────┐
│ b0 │ b4 │ b8 │b12 │
├────┼────┼────┼────┤
│ b1 │ b5 │ b9 │b13 │
├────┼────┼────┼────┤
│ b2 │ b6 │b10 │b14 │
├────┼────┼────┼────┤
│ b3 │ b7 │b11 │b15 │
└────┴────┴────┴────┘
```

接着对这 16 个字节反复执行若干轮变换。

AES 的核心轮函数主要由四个步骤组成

```text
SubBytes
ShiftRows
MixColumns
AddRoundKey
```

NIST 的 `FIPS 197` 也是按照这四类变换定义 AES 加密轮的。最后一轮略有不同，不执行 `MixColumns`。[NIST Publications](https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/fips/nist.fips.197.pdf?utm_source=chatgpt.com)

理解这四步，就基本理解了 AES 为什么能够把原始数据搅得面目全非。

## `SubBytes`，把每一个字节替换掉

`SubBytes` 会把 State 中的每一个字节通过一个固定的查找表进行替换。

这个表称为

```text
S-box
Substitution Box
```

例如可以抽象理解成

```text
原值 53
  ↓
查 S-box
  ↓
新值 ED
```

它不是简单的线性转换。

`S-box` 给 AES 引入了非常重要的非线性，使攻击者难以建立简单的输入、输出数学关系。

密码学里常把这种作用称为

```text
Confusion
混淆
```

也就是尽量让

```text
密钥
↓
密文
```

之间的关系变得复杂。

---

## `ShiftRows`，把行错开

接下来执行

```text
ShiftRows
```

可以把它理解为不同的行向左移动不同距离。

原来的矩阵可能类似

```text
A B C D
E F G H
I J K L
M N O P
```

经过行移位之后，逻辑效果类似

```text
A B C D
F G H E
K L I J
P M N O
```

这样一来，原先集中在某一列的数据被打散到了其他列。

也就是说 AES 开始把一个字节的影响向整个数据块扩散。

---

## `MixColumns`，在每一列内部进一步混合

接下来是

```text
MixColumns
```

这一步会对每一列进行数学变换。

这里用到的不是普通整数乘法，而是有限域

```text
GF(2^8)
```

上的运算。

假设一列原本包含

```text
a
b
c
d
```

经过 `MixColumns` 后，每个输出字节都会与原来的多个字节产生关系。

于是如果明文只修改一个 bit，经过若干轮 AES 后，这个微小变化能够扩散到大量输出 bit。

这种性质就是密码学特别希望得到的

```text
Diffusion
扩散
```

可以把它理解成往一杯水中滴一滴墨水。

刚滴进去时变化只出现在很小区域，而经过充分搅拌之后，整杯水都会受到影响。

AES 中的 `ShiftRows + MixColumns` 就承担了很强的扩散作用。

---

## `AddRoundKey`，真正把密钥参与进来

这一阶段叫

```text
AddRoundKey
```

State 与当前这一轮的轮密钥进行 XOR

```text
State
 XOR
Round Key
   ↓
新的 State
```

这里的轮密钥并不是每一轮都直接使用同一串原始密钥。

AES 会先对原始密钥执行

```text
Key Expansion
```

也就是密钥扩展。

例如 `AES-128` 的原始密钥是 `128 bit`，AES 会根据它生成多个

```text
Round Key
```

供不同轮使用。

所以可以形成这样一幅结构

```text
原始密钥
    │
    ▼
Key Expansion
    │
    ├── Round Key 0
    ├── Round Key 1
    ├── Round Key 2
    ├── ...
    └── Round Key 10
```

而数据则不断经历

```text
SubBytes
   ↓
ShiftRows
   ↓
MixColumns
   ↓
AddRoundKey
```

这种结构。

---

## AES-128 为什么要做 10 轮

AES 不同密钥长度对应不同轮数。

```text
AES-128
10 轮

AES-192
12 轮

AES-256
14 轮
```

NIST 的标准明确规定了这三个组合。[NIST Publications](https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/fips/nist.fips.197.pdf?utm_source=chatgpt.com)

因此可以把 `AES-128` 的整体流程大致看成

```text
128 bit 明文
      │
      ▼
AddRoundKey
      │
      ▼
Round 1
      │
      ▼
Round 2
      │
     ...
      │
      ▼
Round 9
      │
      ▼
Round 10
      │
      ▼
128 bit 密文
```

每一轮都继续搅乱数据。

最终就形成一个非常重要的效果。

即使明文只变化一点点

```text
plaintext A
```

改成

```text
plaintext B
```

只差一个 bit，最终得到的密文也可能出现大面积变化。

这种现象称为

```text
Avalanche Effect
雪崩效应
```

现代密码算法都非常看重这种特征。

---

# AES-128、AES-192 和 AES-256 有什么区别

很多时候看到

```text
AES-128
AES-256
```

容易误以为是两套完全不同的算法。

其实它们属于同一个 AES 家族。

主要差别是

```text
密钥长度
+
轮数
```

AES-128 使用

```text
128 bit key
10 rounds
```

AES-256 使用

```text
256 bit key
14 rounds
```

从穷举攻击角度看，AES-128 的密钥空间有

$$
2^{128}
$$

种可能。

AES-256 则有

$$
2^{256}
$$

种可能。

`2^128` 已经是一个极其庞大的数字，大约是

$$
3.4 \times 10^{38}
$$

因此，现实中 AES 的安全问题通常并不是有人把全部 `2^128` 密钥一个个试完。

工程系统更常见的问题反而来自

```text
密码太弱
密钥泄漏
随机数错误
IV / nonce 重复
错误的工作模式
程序实现漏洞
侧信道攻击
```

所以算法足够强，并不等于整个系统自动安全。

---

# AES 不能直接解决任意长度数据的问题

这里是理解 AES 时非常关键的一层。

AES 的核心算法只能处理

```text
128 bit
=
16 Byte
```

的数据块。

但现实中的数据可能有

```text
100 Byte
1 MB
1 GB
100 GB
```

怎么办。

这就引出了

```text
Block Cipher Mode of Operation
分组密码工作模式
```

常见名字包括

```text
ECB
CBC
CTR
GCM
CCM
```

NIST 的 `SP 800-38A` 定义了 `ECB`、`CBC`、`CFB`、`OFB` 和 `CTR` 等经典分组密码工作模式。[NIST Computer Security Resource Center](https://csrc.nist.gov/pubs/sp/800/38/a/final?utm_source=chatgpt.com)

所以现实工程里很少只说

```text
使用 AES
```

更完整的信息通常是

```text
AES-256-GCM
```

或者

```text
AES-128-CCM
```

这才告诉我们

```text
使用哪种 AES 密钥长度
+
如何处理任意长度的数据
+
是否提供完整性认证
```

---

# 为什么不能简单使用 AES-ECB

`ECB` 很适合帮助理解什么叫分组。

假设数据被切成

```text
P1
P2
P3
P4
```

在 `ECB` 下，每个块独立加密

```text
P1 → AES → C1
P2 → AES → C2
P3 → AES → C3
P4 → AES → C4
```

问题出在

```text
相同明文块
+
相同密钥
=
相同密文块
```

于是原始数据中的重复模式可能泄露出来。

所以安全系统中一般不能把 `AES-ECB` 当成普通数据加密的合适选择。

这也说明一个很重要的知识点

```text
AES 算法很安全
```

和

```text
某个使用 AES 的系统很安全
```

是两件不同的事情。

使用方式错了，再强的底层密码算法也可能被削弱。

---

# AES-GCM 为什么经常出现

现在的软件系统中经常看到

```text
AES-GCM
```

`GCM` 是

```text
Galois/Counter Mode
```

它不仅能够提供数据保密性，还能提供数据完整性与真实性保护。

NIST 将 GCM 定义为一种 `Authenticated Encryption with Associated Data`，简称 `AEAD` 的模式。[NIST Computer Security Resource Center](https://csrc.nist.gov/pubs/sp/800/38/d/final?utm_source=chatgpt.com)

所以 AES-GCM 加密后的结果除了密文之外，通常还会有一个认证标签

```text
Plaintext
    │
    ▼
AES-GCM
    │
    ├── Ciphertext
    │
    └── Authentication Tag
```

如果攻击者偷偷修改密文

```text
某一个 bit 被修改
```

接收方在认证检查时就可能发现

```text
Tag verification failed
```

于是拒绝接受这个数据。

单纯的加密解决的是

```text
别人看不懂
```

而认证加密还要解决

```text
别人有没有偷偷改过
```

这两个问题都非常重要。

---

# AES 和 WPA2 有什么关系

这正好可以和前一题连起来。

在经典的 `WPA2` 网络中，经常看到

```text
WPA2-PSK
AES
```

更准确地讲，WPA2 中常见的是

```text
AES-CCMP
```

其中 AES 提供底层分组密码能力，而 `CCMP` 是建立在 AES 之上的数据保护方案。

NIST 对 `CCM` 的说明也明确指出，它把 `Counter Mode` 的保密性能力和认证机制组合起来，并与 IEEE 802.11 无线局域网安全设计有关。[NIST Computer Security Resource Center](https://csrc.nist.gov/projects/block-cipher-techniques/bcm/current-modes?utm_source=chatgpt.com)

所以前一题讨论的几个概念可以分层来看

```text
WPA2
无线安全协议框架

PSK
预共享密钥认证方式

AES
底层对称分组密码

CCMP
如何使用 AES 对无线帧提供加密与完整性保护
```

这几个词不是同一个层次。

例如家里的无线路由器显示

```text
WPA2-PSK / AES
```

可以粗略理解为

```text
认证
使用预共享密码

数据保护
使用基于 AES 的 CCMP
```

---

# AES 和密码 Password 也不是一回事

还有一个非常常见的误区。

假设软件要求输入

```text
MyPassword123
```

这串字符不一定能够直接作为 AES 密钥。

AES 要求的密钥长度严格为

```text
128 bit
192 bit
256 bit
```

如果用户输入的是普通密码，正规的密码系统通常还要经过

```text
PBKDF2
scrypt
Argon2
```

之类的密钥派生过程，再生成满足要求的 AES 密钥。

概念关系类似

```text
用户密码
    │
    ▼
KDF
密钥派生函数
    │
    ▼
AES Key
128 / 192 / 256 bit
    │
    ▼
AES 加密
```

因此

```text
Password
```

和

```text
AES Key
```

不能简单画等号。

---

# 最适合考试的记忆方法

看到 AES，可以记住下面这组关系

```text
AES
Advanced Encryption Standard
高级加密标准

类型
对称分组密码

Block Size
128 bit

Key Size
128 / 192 / 256 bit

Rounds
10 / 12 / 14

核心变换
SubBytes
ShiftRows
MixColumns
AddRoundKey
```

其中最容易出选择题陷阱的是

```text
AES-256
```

这里的 `256` 指

```text
密钥长度
```

不是

```text
分组长度
```

无论 AES-128、AES-192 还是 AES-256

```text
Block Size 都是 128 bit
```

如果再和刚才的 WPA2 题联系起来，可以形成一条非常清楚的知识链

```text
WPA2-PSK
       │
       ├── PSK
       │   解决预共享密钥认证
       │
       ▼
    密钥建立
       │
       ▼
   AES-CCMP
       │
       ├── AES
       │   负责核心分组加密
       │
       └── CCMP
           规定如何使用 AES
           保护无线数据
```

所以考试如果只问一句

> 什么是 AES 加密算法

可以写成

> AES 是 `Advanced Encryption Standard` 的缩写，是一种对称分组加密算法。AES 固定以 `128 bit` 为一个数据分组，支持 `128 bit`、`192 bit` 和 `256 bit` 三种密钥长度，对应执行 10、12 和 14 轮加密变换。AES 的核心轮变换包括 `SubBytes`、`ShiftRows`、`MixColumns` 和 `AddRoundKey`。实际应用中 AES 通常结合 GCM、CCM、CBC、CTR 等工作模式使用，其中 `AES-GCM` 可以同时提供数据保密性和完整性认证。[NIST Publications](https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/FIPS/NIST.FIPS.197-upd1.pdf?utm_source=chatgpt.com)

把 AES 理解到这一层，后面再学 `WPA2-AES`、`AES-CCMP`、`TLS`、VPN、HTTPS、磁盘加密以及 `AES-GCM` 时，很多原本零散的名词就会自然串到一起。

AES 是现代计算机系统中使用最广泛的对称加密算法之一，全称是 Advanced Encryption Standard，中文通常译为高级加密标准。

什么是 AES 加密算法

紫薇堂堂主

安全

AES是广泛使用的对称分组加密算法，固定处理128bit数据块，支持128/192/256bit密钥及10/12/14轮加密。核心变换包括SubBytes、ShiftRows、MixColumns和AddRoundKey，实际应用中常结合GCM、CBC等模式，其中AES-GCM可同时提供保密性与完整性认证。

数据完整性

AES加密算法

数据加密

数据保护

对称加密

数字签名

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