AES（高级加密标准）

AES
Advanced Encryption Standard

设计者

Joan Daemen, Vincent Rijmen (Rijndael)

首次发布

1998 (Rijndael)
2001 (AES 标准)

类别

对称分组密码

分组大小

128 bit

密钥长度

128 / 192 / 256 bit

轮数

10 / 12 / 14

结构

SPN (代换-置换网络)

速度

~6 GB/s (AES-NI)

标准

FIPS 197, ISO/IEC 18033-3

安全状态

安全

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是由比利时密码学家 Joan Daemen 和 Vincent Rijmen 设计的 Rijndael 算法，于 2001 年被 NIST 选为美国联邦加密标准（FIPS 197），替代已不安全的 DES。AES 是当今全球使用最广泛的对称加密算法，保护着从 HTTPS 到 Wi-Fi、从磁盘加密到 VPN 的几乎所有数字通信。

算法描述

AES 使用 SPN（Substitution-Permutation Network）结构，而非 DES 使用的 Feistel 结构。数据以 4×4 字节矩阵（状态矩阵）的形式处理，每轮包含四个操作：

SubBytes：通过 S-box 进行字节代换（非线性变换，提供混淆性）
ShiftRows：行循环移位（提供扩散性）
MixColumns：列混合变换（在有限域 GF(2⁸) 上的矩阵乘法，提供扩散性）
AddRoundKey：与轮密钥异或（引入密钥材料）

最后一轮省略 MixColumns 操作。

AES-128 加密流程（10轮）：

输入明文 (128 bit)
  ↓ AddRoundKey (初始轮密钥)
  ↓
  for round = 1 to 9:
      SubBytes  → ShiftRows → MixColumns → AddRoundKey
  ↓
  SubBytes → ShiftRows → AddRoundKey  (最后一轮, 无 MixColumns)
  ↓
输出密文 (128 bit)

密钥扩展：将 128/192/256 位主密钥扩展为 (Nr+1) 组轮密钥

密钥长度与轮数

变体	密钥长度	轮数 (Nr)	扩展密钥字数	安全级别
AES-128	128 bit	10	44	128 bit
AES-192	192 bit	12	52	192 bit
AES-256	256 bit	14	60	256 bit

硬件加速

现代 x86 和 ARM 处理器提供了 AES-NI 指令集，将 AES 的核心操作（SubBytes、MixColumns 等）直接实现在硬件中。使用 AES-NI 时，AES-128-GCM 的吞吐量可达 6 GB/s 以上，几乎消除了加密的性能开销。

Intel AES-NI：2010 年 Westmere 架构引入
ARM AESE/AESMC：ARMv8-A 架构引入
POWER：PowerISA v2.07 引入

安全性

截至 2026 年，AES 没有已知的实用攻击。最好的已知攻击是：

Biclique 攻击（2011）：AES-128 复杂度 2^126.1（优于暴力但仍不可行）
相关密钥攻击：对 AES-256 的密钥扩展有理论弱点，但不影响实际安全性

AES-128 目前仍然安全，但 NSA 和部分标准组织推荐 AES-256 用于长期保护和最高机密级别。

应用

TLS/SSL：HTTPS 的核心加密算法（AES-128-GCM / AES-256-GCM）
Wi-Fi：WPA2 (AES-CCM)、WPA3 (AES-GCM)
磁盘加密：BitLocker (AES-CBC/XTS), FileVault, LUKS
VPN：IPSec, OpenVPN, WireGuard（使用 ChaCha20-Poly1305 作为替代）
数据库：透明数据加密 (TDE)
移动支付：EMV 芯片卡

参考文献

NIST (2001). "Advanced Encryption Standard (AES)". FIPS PUB 197.
Daemen, J., Rijmen, V. (2002). "The Design of Rijndael: AES — The Advanced Encryption Standard". Springer.
Bogdanov, A., Knudsen, L.R., Leander, G. (2011). "Biclique Cryptanalysis of the Full AES". ASIACRYPT 2011.

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