详解 AES256 加解密

AES256 加解密概述

AES256（Advanced Encryption Standard with 256-bit key）是一种对称加密算法，使用相同的密钥进行加密和解密。其安全性基于复杂的数学运算（如字节代换、行移位、列混淆和轮密钥加），适用于敏感数据保护。

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AES256 加密步骤

密钥扩展
将输入的 256 位密钥通过 Rijndael 密钥调度算法扩展为多个轮密钥（共 15 轮）。

初始轮密钥加
将明文数据块（128 位）与第一轮密钥进行异或操作。

轮函数迭代（14 轮）
每轮包含以下操作：

• 字节代换（SubBytes）：通过 S-Box 替换每个字节。
• 行移位（ShiftRows）：对数据块的行进行循环左移。
• 列混淆（MixColumns）：对列进行矩阵乘法（Galois 域运算）。
• 轮密钥加（AddRoundKey）：与当前轮密钥异或。

最终轮（第 15 轮）
省略列混淆操作，仅执行字节代换、行移位和轮密钥加。

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AES256 解密步骤

解密是加密的逆过程，操作顺序相反：

初始轮密钥加
与加密相同，使用最后一轮密钥进行异或。

轮函数迭代（14 轮）
每轮包含：

• 逆行移位（InvShiftRows）：循环右移。
• 逆字节代换（InvSubBytes）：通过逆 S-Box 替换字节。
• 轮密钥加（AddRoundKey）：与当前轮密钥异或。
• 逆列混淆（InvMixColumns）：执行逆矩阵乘法。

最终轮（第 15 轮）
省略逆列混淆，仅执行逆行移位、逆字节代换和轮密钥加。

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代码实现（Python 示例）

使用 pycryptodome 库实现 AES256-CBC 模式加解密：

from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
from Crypto.Random import get_random_bytes

# 加密
def aes256_encrypt(plaintext, key):
    iv = get_random_bytes(16)  # 初始化向量
    cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)
    ciphertext = cipher.encrypt(pad(plaintext, AES.block_size))
    return iv + ciphertext

# 解密
def aes256_decrypt(ciphertext, key):
    iv = ciphertext[:16]
    cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)
    plaintext = unpad(cipher.decrypt(ciphertext[16:]), AES.block_size)
    return plaintext

# 示例
key = get_random_bytes(32)  # 256-bit key
data = b"Sensitive data"
encrypted = aes256_encrypt(data, key)
decrypted = aes256_decrypt(encrypted, key)
print("Decrypted:", decrypted.decode())

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关键注意事项

• 密钥管理：密钥需安全存储（如使用硬件安全模块 HSM）。
• 模式选择：推荐 CBC 或 GCM 模式（后者支持认证加密）。
• 填充：必须处理数据块对齐（如 PKCS#7）。
• 初始化向量（IV）：CBC 模式需随机且不可重复。

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数学基础

AES 的核心运算在 Galois 域 $GF(2^8)$ 上完成，例如列混淆的矩阵乘法：

$$ \begin{pmatrix} 02 & 03 & 01 & 01 \ 01 & 02 & 03 & 01 \ 01 & 01 & 02 & 03 \ 03 & 01 & 01 & 02 \ \end{pmatrix} \times \begin{pmatrix} s_{0,j} \ s_{1,j} \ s_{2,j} \ s_{3,j} \ \end{pmatrix} $$

其中乘法为有限域乘法，加法为异或操作。