用通俗 + 技术结合的方式，为你讲解 AES-256 加密算法的原理，帮助你理解它为何安全、怎么运作、核心机制是什么。
🧠 什么是 AES-256？
- AES：Advanced Encryption Standard，高级加密标准。
- 256：表示它使用的是 256 位密钥（= 32 字节），也是目前最高强度版本。
它是一种 对称加密算法（加密和解密用的是同一个密钥），适合高速、安全的数据保护场景。
🔐 AES 的基本概念
- 输入：明文（Plaintext）
- 输出：密文（Ciphertext）
- 核心材料：密钥（Key）
- 加密过程分为多个 轮（Round），AES-256 总共要执行 14 轮加密处理，每轮进行复杂的数学变换。
🔄 AES 加密流程概览（以 256 位密钥为例）
输入结构：
AES 把明文分成 16 字节（128 位）一块，叫做“状态块（State）”，格式是一个 4×4 的矩阵：
| a0 | a4 | a8 | a12 |
| a1 | a5 | a9 | a13 |
| a2 | a6 | a10 | a14 |
| a3 | a7 | a11 | a15 |🔁 每一轮都包含以下 4 个步骤：
1. SubBytes（字节替代）
- 用一个非线性查找表（S-box）将每个字节替换掉。
- 这是 AES 中的“非线性核心”，用来打乱数据，提高抗攻击能力。
2. ShiftRows（行位移）
-
将矩阵每一行循环左移不同的字节数：
- 第0行不动，第1行左移1位，第2行左移2位，第3行左移3位。
- 目的是让相邻数据错位，打散结构。
3. MixColumns（列混合）
- 对每一列使用特定的数学运算（Galois Field 多项式乘法）进行“线性混合”。
- 增强扩散性（让一个字节影响整列）。
4. AddRoundKey（轮密钥异或）
- 把轮密钥与状态块逐字节进行 XOR 运算。
- 每一轮使用一个从主密钥派生出来的子密钥（轮密钥）。
🔧 Key Schedule（密钥扩展）
- 从你输入的 256 位密钥中，AES 会通过复杂算法生成 15 个“轮密钥”（每轮用一个，外加初始轮）。
- 这个过程也是安全关键点之一，因为它要避免弱密钥、重复模式。
🔁 总轮数 = 14
- 初始轮：只执行 AddRoundKey
- 中间 13 轮：执行 SubBytes → ShiftRows → MixColumns → AddRoundKey
- 最后一轮：执行 SubBytes → ShiftRows → AddRoundKey（不做 MixColumns）
🧱 图示流程简化（AES-256）：
明文块 → AddRoundKey（初始轮）
↓
14轮加密循环：
↓
SubBytes → ShiftRows → MixColumns → AddRoundKey
↓
...
↓
最后一轮省略 MixColumns
↓
输出密文🔄 解密是加密的“逆过程”
- 有对应的逆操作：InvSubBytes、InvShiftRows、InvMixColumns。
- 使用相同的轮密钥但顺序反过来。
✅ AES-256 安全性的来源
| 安全机制 | 说明 |
|---|---|
| 非线性替代 | SubBytes 用了精心设计的 S-box，提高抗差分/线性攻击能力 |
| 扩散性极强 | 一个字节变化会影响输出中多个字节（通过 ShiftRows 和 MixColumns） |
| 密钥空间巨大 | 2²⁵⁶ 个密钥，暴力破解几乎不可能 |
| 公开透明 | 开放标准，接受全球密码学界审查 |
| 实现优化可高效 | AES 有高效软硬件实现（如 Intel AES-NI 指令集） |
✏️ 示例（简单加密流程）
以一个字符串 "HELLO WORLD12345"（16字节）和一个随机密钥加密：
- 转为16字节矩阵（State）
- 执行 14 轮 Sub → Shift → Mix → Add
- 输出不可读密文：
9f 3a 74 b1 52 …
✅ 总结
AES-256 是一个基于复杂矩阵变换、非线性替代、轮密钥动态变化构建的强加密算法。它的结构精巧、安全性高、经过广泛审查，是现代对称加密中最值得信赖的标准。