AES 加密算法详解

1. 基础概念

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是一种 对称加密算法，由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年正式发布，取代了旧的 DES 算法。它被广泛应用于政府、金融、物联网等领域，是目前全球公认最安全的加密算法之一。

2. 核心特性

特性	说明
对称加密	加密和解密使用同一个密钥
分组加密	数据被分割为固定长度的 128位（16字节）块进行处理
密钥长度	支持 128位、192位、256位三种密钥长度（安全性递增）
加密轮数	根据密钥长度自动确定：128位（10轮）、192位（12轮）、256位（14轮）

3. 加密过程（以 AES-128 为例）

3.1 整体流程

明文输入 → 初始轮密钥加 → 10轮加密变换 → 最终密文输出

3.2 每轮操作的 4 个关键步骤

SubBytes（字节替换）
使用 S-Box（替换盒）对每个字节进行非线性替换，增强混淆性。

AES 加密算法详解

ShiftRows（行位移）
对数据块的 每一行 进行循环左移：

第1行不移位
第2行左移1字节
第3行左移2字节
第4行左移3字节

AES 加密算法详解

MixColumns（列混淆）
通过矩阵乘法对 每一列 进行线性变换，增强扩散性。
AddRoundKey（轮密钥加）
将当前轮次的 扩展密钥 与数据块进行异或（XOR）操作。

4. 密钥扩展（Key Expansion）

将初始密钥扩展为 11组轮密钥（AES-128 需要 10 轮加密 + 1 次初始轮密钥加）：

通过 RotWord（字循环）、SubWord（字替换）、Rcon（轮常数异或）生成新密钥
确保每轮使用的密钥唯一且不可预测

5. 工作模式（Modes of Operation）

模式	全称	特点	适用场景
ECB	Electronic Codebook	简单快速，但一样明文生成一样密文（易被攻击）	❌ 不推荐使用
CBC	Cipher Block Chaining	引入 IV（初始化向量），前一块密文影响后一块	文件加密、TLS
CTR	Counter	将块加密转换为流加密，支持并行计算	实时流数据加密
GCM	Galois/Counter Mode	提供加密 + 完整性校验（MAC），性能高效	网络通信、物联网

6. 安全性

理论安全性：目前没有已知的 多项式时间算法 能破解 AES（暴力破解需 2^128 次操作，宇宙寿命内无法完成）。
实际风险：主要来自 实现错误（如弱密钥、IV 重用）或 侧信道攻击（功耗分析、计时攻击）。

最佳实践：

优先选择 256位密钥
使用 CBC/CTR/GCM 模式，避免 ECB
IV 必须随机且不可预测（每次加密生成新 IV）
结合 HMAC 或 AEAD（如 GCM）保证数据完整性

7. 代码示例（伪代码）

dart

// 使用 Flutter 的 `encrypt` 库实现 AES-CBC 加密
import 'package:encrypt/encrypt.dart';

void main() {
  final plainText = 'Secret Message';
  final key = Key.fromUtf8('32-byte-long-encryption-key-1234567890'); // AES-256
  final iv = IV.fromSecureRandom(16); // 生成随机 IV

  final encrypter = Encrypter(AES(key, mode: AESMode.cbc));
  final encrypted = encrypter.encrypt(plainText, iv: iv);
  
  print('密文: ${encrypted.base64}');
  print('解密: ${encrypter.decrypt(encrypted, iv: iv)}');
}

8. 常见问题

Q: AES 会被量子计算机破解吗？
A: 理论上 Grover 算法可将暴力破解时间开平方（如 AES-256 → 等效安全性 128位），但仍是长期安全的。
Q: 为什么要避免 ECB 模式？
A: ECB 会暴露明文结构（如图像加密后仍可见轮廓）：
https://i.imgur.com/4u7TcbT.png
Q: 如何安全存储密钥？
A: 使用硬件安全模块（HSM）、Android Keystore/iOS Keychain，或基于口令的密钥派生（PBKDF2）。