我们来深入探讨 AES-256 算法本身以及所有相关的操作模式（Modes of Operation）。理解这两部分对于实际应用 AES 加密至关重要。
第一部分：AES-256 算法核心
AES-256 是 高级加密标准 (Advanced Encryption Standard) 的一个特定版本，使用 256 位（32 字节） 的密钥长度。它是一种对称密钥分组密码（Symmetric Key Block Cipher），意味着加密和解密使用相同的密钥，并且它一次处理一个固定长度的数据块。
基本参数：
- 密钥长度 (Key Length)： 256 位 (这是它与 AES-128 和 AES-192 的主要区别)
- 分组大小 (Block Size)： 128 位 (16 字节) (这是所有 AES 变种固定的)
- 轮数 (Number of Rounds)： 14 轮 (AES-128 是 10 轮，AES-192 是 12 轮)
算法结构 (Rijndael 算法)：
AES 基于 Rijndael 算法设计，其结构称为 置换-置换网络 (Substitution-Permutation Network, SPN)。每一轮（除了最后一轮稍有不同）都包含四个主要的可逆变换步骤：1. AddRoundKey (轮密钥加)：
- 将当前状态（State，即 128 位数据块排成的 4x4 字节矩阵）与当前轮的轮密钥（Round Key） 进行按位异或 (XOR) 操作。
- 这是每一轮的第一步（初始轮）和最后一轮的最后一步。它引入了密钥的扩散。
2. SubBytes (字节替换)：
- 使用一个固定的、非线性的 S 盒 (Substitution Box) 对状态矩阵中的每一个字节进行独立替换。
- S 盒的设计基于有限域上的乘法逆元和仿射变换，提供了算法的混淆 (Confusion) 特性，使得输入和输出之间的关系极其复杂，难以通过统计分析攻击。
3. ShiftRows (行移位)：
- 对状态矩阵的每一行进行循环移位。
- 第 0 行不移位。
- 第 1 行循环左移 1 个字节。
- 第 2 行循环左移 2 个字节。
- 第 3 行循环左移 3 个字节（或等价地，循环右移 1 个字节）。
- 这个操作提供了扩散 (Diffusion)，使得一个字节的改变在后续操作中影响多个列。
4. MixColumns (列混淆)：
- 对状态矩阵的每一列视为有限域 GF(2⁸) 上的多项式，并与一个固定的多项式
c(x) = {03}x³ + {01}x² + {01}x + {02}进行模 x⁴ + 1 乘法。 - 这个操作在列级别上混合数据，是扩散 (Diffusion) 的主要来源，使得一个字节的改变在后续操作中影响同一列的多个字节（进而通过下一轮的 ShiftRows 影响多个列）。
- 注意： 最后一轮省略 MixColumns 步骤。
- 对状态矩阵的每一列视为有限域 GF(2⁸) 上的多项式，并与一个固定的多项式
密钥扩展 (Key Expansion)：
- 将初始的 256 位 (32 字节) 主密钥扩展为 15 个轮密钥（因为 14 轮加密需要 14 个轮密钥，加上初始 AddRoundKey 需要一个密钥，共 15 个）。
- 每个轮密钥是 128 位（16 字节）。
- 密钥扩展过程也使用类似加密轮的变换（SubBytes, ShiftRows, MixColumns 的变种
RotWord,SubWord, Rcon）以及异或操作。这个过程确保轮密钥之间具有高度的非线性关系，增强了安全性。 - 密钥扩展的复杂性是 AES-256 相对于 AES-128 在防御某些攻击（如相关密钥攻击）上被认为更强的一个原因（尽管核心轮数增加也是关键）。
加密过程概要：
- 将 128 位明文块转换为状态矩阵。
- 执行 AddRoundKey（使用第 0 轮密钥）。
- 对于第 1 轮到第 13 轮：
- SubBytes
- ShiftRows
- MixColumns
- AddRoundKey（使用当前轮密钥）
- 执行第 14 轮（最后一轮）：
- SubBytes
- ShiftRows
- AddRoundKey（使用第 14 轮密钥）// 省略 MixColumns
- 将最终状态矩阵转换为 128 位密文块。