## AES 加密原理

AES（Advanced Encryption Standard，進階加密標準）是一種**對稱式加密演算法**，也就是說，**加密和解密都使用相同的金鑰**。根據金鑰長度不同，AES 提供 **128、192 或 256 位元**的安全性。以下是 AES 的核心概念與運作流程：

### 基本概念

1. **對稱式加密**
- 加密和解密都使用**相同的金鑰**。
- 這種加密方式的安全性取決於金鑰是否保密。

2. **區塊加密**
- AES 以**固定大小的區塊（128 位元 = 16 位元組）**進行加密。
- 如果輸入資料超過區塊大小，則會**補齊（Padding）**，或將資料分割成多個區塊分別加密。

3. **多輪加密**
- AES 根據金鑰長度不同，會執行 **10、12 或 14 輪**的運算，每輪都包含多個步驟。

### 加密流程

每個區塊會依照以下步驟逐一加密，直到所有區塊加密完成後，再將它們組合成最終的密文：

## AES 加密流程

### **1. 初始運算：AddRoundKey**
- **AddRoundKey**：將**明文與第一組輪密鑰（Round Key）進行 XOR 運算**。

### **2. 重複運算（根據金鑰長度，執行 10、12 或 14 輪）**

每輪加密包含以下 **四個步驟**：

#### **步驟 1：SubBytes**
- **使用 S-Box（替換表）對狀態矩陣的每個字節進行替換**。
- S-Box 是透過**非線性轉換與有限域（GF）反演**計算出的，可增強 AES 對攻擊的抵抗力。

#### **步驟 2：ShiftRows**
- **狀態矩陣的每一列進行位移**，以打散明文的字節排列，提高擴散性：
- **第 0 列**：不變。
- **第 1 列**：左移 1 位元組。
- **第 2 列**：左移 2 位元組。
- **第 3 列**：左移 3 位元組。

#### **步驟 3：MixColumns**
- **每一欄的數據視為多項式，並與固定多項式相乘**，讓單一字節的變化影響整欄數據，增強擴散效果。

#### **步驟 4：AddRoundKey**
- **將當前狀態矩陣與該輪對應的密鑰進行 XOR 運算**。

### **3. 最終輪運算（Final Round）**
- **重複執行**「SubBytes、ShiftRows 和 AddRoundKey」**（省略 MixColumns）**。
- 最終輸出即為**密文**。

## **AES 解密流程**

AES 的解密過程是加密的反向操作，主要步驟如下：
1. **InvShiftRows**
2. **InvSubBytes**
3. **AddRoundKey**
4. **InvMixColumns**

與加密不同，**解密時的使用順序是反向的**。

## **AES 兩種加密模式**

區塊加密（Block Cipher）是一種**固定區塊大小**的加密方式，每個明文區塊會對應到相同大小的密文區塊。**AES 的區塊大小固定為 128 位元**（16 位元組），但金鑰長度可以是 **128、192 或 256 位元**。

當明文長度不足 128 位元時，需要**補齊（Padding）**，常見的填充方式包括 **PKCS5 或 PKCS7**。

### **1. ECB 模式（Electronic Code Book，電子密碼本模式）**

**ECB 模式的特點**：
- **每個明文區塊**都是**獨立加密**的，彼此之間沒有關聯。
- 這種模式的優勢是**可以並行處理**，加密速度快。
- **缺點**：相同的明文區塊會產生相同的密文區塊，導致安全性較低，容易被模式分析攻擊（Pattern Attack）破解。
- **適用場景**：僅適合小量、不敏感的數據加密。

### **2. CBC 模式（Cipher Block Chaining，加密區塊鏈模式）**

**CBC 模式的特點**：
- 每個**明文區塊**在加密前**都會與前一個密文區塊進行 XOR 運算**，因此**每個區塊的加密結果都不同**。
- 第一個區塊需要一個 **初始化向量（IV，Initialization Vector）** 來進行 XOR 運算，以確保每次加密輸出都不同，即使明文相同。
- **缺點**：由於每個區塊依賴於前一個區塊，無法並行加密，導致效能較低。
- **適用場景**：適合需要更高安全性的應用，例如**傳輸機密資料**或**檔案加密**。

**並行處理應用**：
儘管 CBC 模式無法針對單一任務並行加密，但可以**針對多個獨立任務並行運作**，提升硬體資源利用率。例如：
- **不同用戶的 CBC 加密**可以獨立處理，提高整體系統效能。

## 實驗結果
我在使用C語言實現AES加解密結果，完整的專案程式碼可以參考 [bujiyao/AES-implementation-c](https://github.com/bujiyao/AES-implementation-c)這個專案。這個實作完整涵蓋了 AES-128、AES-192 和 AES-256，並包含 加密、解密、密鑰擴展（Key Expansion）等核心功能。

單元測試結果如下：

Running AES unit tests:
[PASS] test_add_round_key
[PASS] test_sub_bytes
[PASS] test_shift_rows
[PASS] test_inv_shift_rows
[PASS] test_mix_columns
[PASS] test_inv_mix_columns
[PASS] test_aes_encrypt_decrypt
All tests completed.

## 參考資料
- [AES Encryption: Secure Data with Advanced Encryption Standard](https://www.simplilearn.com/tutorials/cryptography-tutorial/aes-encryption)
- [The difference in five modes in the AES encryption algorithm](https://www.highgo.ca/2019/08/08/the-difference-in-five-modes-in-the-aes-encryption-algorithm/)
- [A Pipelined AES and SM4 Hardware Implementation for Multi-Tasking Virtualized Environments](https://easychair.org/publications/preprint/BNHg)