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高級加密標準 AES 演算法

安全技術

高級加密標準（AES）演算法屬於對稱式加密技術，採用同一組金鑰進行資料加密與解密。AES 廣泛應用於錢包私鑰備份、交易通訊及檔案加密，透過分組加密和多輪變換機制保障資料安全。當結合 Galois/Counter Mode（GCM）等運作模式時，AES 不僅能維持資料的機密性，同時提供完整性驗證。AES 已成為 Web3 領域帳戶安全與資料傳輸層的重要加密標準。

內容摘要

AES（高級加密標準）是一種由NIST制定的對稱加密算法，被廣泛認為是全球最常用的加密技術之一。

它採用分組加密模式，支援三種金鑰長度：128位、192位和256位，金鑰越長安全性越高。

加密和解密使用相同的金鑰，計算速度快、效率高，非常適合加密大量資料。

在Web3中，AES被廣泛應用於錢包加密、私鑰儲存和資料傳輸保護，保障用戶資產的安全。

什麼是 AES 演算法？

Advanced Encryption Standard（AES，高級加密標準）是一種對稱式加密標準，也就是加密與解密皆採用同一組金鑰。AES 由美國國家標準與技術研究院（NIST）於 2001 年發佈，現已廣泛應用於數位產業。在 Web3 領域，AES 主要用來保護本地錢包備份、API 金鑰，以及傳輸過程中的敏感資料。

對稱式加密可視為「共用金鑰」體系——加密與解密資料都需同一把鑰匙。AES 屬於分組密碼，會將資料切分為固定長度分組（128 位元），並透過多輪轉換處理，使原始資料極難還原。

AES 支援多種金鑰長度：AES-128、AES-192 及 AES-256。金鑰越長，抗暴力破解能力越強。實務應用上，通常優先選擇 AES-256，以確保最高安全性。

AES 在 Web3 中為什麼重要？

AES 在 Web3 場景中扮演關鍵角色，許多應用都需對儲存與傳輸的敏感資料提供高度機密性與完整性保護。若本地儲存或傳輸過程缺乏有效加密，資產將面臨被竊風險。

在錢包端，AES 通常用於加密私鑰或助記詞備份。在區塊鏈工具及交易所客戶端，AES 用來加密本地設定檔或匯出的 API 金鑰。在網路層，連接交易所或區塊鏈服務的 HTTPS 通道，通常採用包含 AES 的加密套件來保障會話安全。

舉例來說，在 Gate 進行帳戶安全管理或使用 API 時，應先以 AES 加密敏感資訊再進行本地備份，以避免明文外洩造成風險。

AES 的運作原理是什麼？

AES 的核心是「多輪轉換的分組加密」。每個 128 位元分組都會經過多輪替換與置換操作，徹底擾亂其結構。可想像成反覆打亂與替換訊息各部分，直到內容無法辨識。

這些轉換包含位元組替換（查詢表）、行移位與列混合。輪數依金鑰長度而定——AES-128 執行 10 輪，AES-256 則為 14 輪，輪數越多，複雜度越高。

AES 本身僅規範單一資料分組的處理方式。若需安全加密更長的資料流，還需選擇適合的「運作模式」，決定各分組與前一分組及初始向量的關聯方式。

如何選擇 AES 的 GCM、CBC 和 CTR 模式？

一般而言，Web3 場景會優先選用 Galois/Counter Mode（GCM），因其同時提供機密性與完整性驗證（產生認證標籤）。CBC（Cipher Block Chaining）與 CTR（Counter）模式也很常見，但需額外注意認證機制與隨機值的正確使用。

GCM 模式：整合加密與認證，輸出標籤可偵測竄改。每次加密都需產生唯一的隨機初始向量（IV），通常為 12 位元組，嚴禁重複使用。

CBC 模式：每個密文分組與前一分組鏈結，掩蓋相同分組的模式。需隨機 IV，並應始終搭配訊息認證（如 MAC）以防止主動攻擊。

CTR 模式：將 AES 作為偽隨機數產生器，逐位元異或資料。速度快且易於平行處理，但無內建認證，需搭配 HMAC 等驗證方法。IV 或計數器絕不可重複。

ECB 模式不建議使用，因會洩漏結構資訊——相同明文分組產生相同密文，易遭模式分析攻擊。

AES 如何用於錢包備份與私鑰保護？

錢包備份建議採用 AES-GCM 模式，並搭配強密碼與金鑰衍生函式（KDF），將易記密碼轉換為高強度密碼學金鑰，確保備份檔案的機密性與竄改偵測。

步驟 1：選擇 AES-256-GCM，以實現最高安全性與完整性。

步驟 2：使用如 Argon2id 或 scrypt 的金鑰衍生函式，將密碼與鹽擴展為強金鑰。鹽是用來防止相同密碼產生相同金鑰的隨機資料。

步驟 3：每次加密產生隨機 IV（通常為 12 位元組），絕不重複使用 IV，以防洩漏資料關聯。

步驟 4：將密文、IV 與認證標籤一併保存。鹽與 KDF 參數需分開記錄以便日後解密。建議將中繼資料與密文分開存放，降低單點外洩風險。

步驟 5：至少製作兩份離線備份，分別存放於不同媒介。嚴禁將密碼或金鑰與備份共存——切勿將明文私鑰儲存在雲端或電子郵件。

AES 如何用於資料傳輸與儲存？

在傳輸層，自 2013 年起，TLS 廣泛採用 AES-GCM 套件（參見 IETF RFC）。截至 2024 年，主流瀏覽器與伺服器仍支援 AES-GCM 與 ChaCha20-Poly1305，伺服器會依硬體與網路狀況動態選擇。

在儲存層面，AES 用於加密本地設定檔、壓縮日誌、匯出的 API 金鑰或私鑰備份。例如，透過 HTTPS 存取 Gate 等服務時，會話於傳輸過程中受到保護；本地則可先以 AES 加密敏感檔案後再進行離線備份。

在以太坊生態的 keystore 實作中，常見做法為將 AES-CTR 結合獨立認證（如 MAC）或認證模式（如 GCM），便於回復時檢查檔案完整性（根據 2024 年開源實踐）。

AES 實用操作步驟

步驟 1：明確安全目標與威脅模型——你要保護的是助記詞、私鑰、API 金鑰還是交易明細？需考量攻擊者是否能存取你的裝置或雲端儲存。

步驟 2：選擇帶認證標籤的 AES-256-GCM 模式，方便解密時檢查檔案是否遭竄改。

步驟 3：使用 Argon2id 或 scrypt 等 KDF 強化密碼，設定記憶體與迭代參數，使金鑰衍生於本機約耗時 1 秒，兼顧安全性與可用性。

步驟 4：產生高品質隨機數。IV 必須以密碼學安全的隨機來源產生，每次加密都要產生新 IV，鹽與 IV 均不可重複。

步驟 5：實作備份與回復流程。密文、IV、鹽、KDF 參數與文件分開儲存，定期測試解密，確保緊急時可回復資產。

AES 常見誤區與風險

使用 ECB 模式：洩漏資料結構，圖片或重複欄位易暴露可辨識模式。
重複使用 IV 或計數器：於 GCM 與 CTR 模式下，IV 重複會嚴重削弱安全性，洩漏金鑰流。
僅依賴弱密碼且無 KDF：即使加密檔案，也可能被簡單密碼暴力破解；務必採用高計算成本的加鹽 KDF。
忽略完整性驗證：僅加密無法驗證真實性，攻擊者可無聲竄改密文。建議優先用 GCM 模式或增加 MAC 驗證。

風險提示：若與資產安全相關的檔案（私鑰、助記詞、API 金鑰）外洩或遭竄改，將直接造成財產損失。務必使用強密碼、正確的運作模式與健全的離線備份策略。

AES 與其他加密方法有何不同？

AES 屬於對稱式加密演算法——「一把鑰匙做兩件事」。而非對稱加密（如 RSA 或橢圓曲線密碼學/ECC）則採用公鑰加密、私鑰解密，適用於金鑰交換與數位簽章。

在串流加密領域，ChaCha20-Poly1305 是常見替代方案，在行動裝置上效能優異且實作簡單；但在支援 AES 加速（AES-NI）的硬體上，AES-GCM 通常效能更佳。選擇取決於硬體與函式庫的支援狀況。

AES 的效能與發展趨勢

現代 CPU 支援 AES-NI 指令集，可大幅提升 AES 運算速度。伺服器與桌面瀏覽器能以高吞吐量、低延遲執行 AES-GCM。截至 2024 年，TLS 1.3 仍支援 AES-GCM 與 ChaCha20-Poly1305，並可依設備與網路特性動態選擇。

從安全趨勢來看，量子計算對對稱式演算法威脅有限，提升金鑰長度即可有效抵禦未來攻擊。因此，AES-256 仍是長期安全的首選方案。

AES 演算法總結

AES 是成熟的對稱式加密標準，在 Web3 領域廣泛應用於錢包備份、API 金鑰保護及資料安全傳輸。大多數情境下應優先選擇 AES-256-GCM，結合高品質隨機數、唯一 IV 及 Argon2id 或 scrypt 強金鑰衍生。實務操作上應將密文與中繼資料分離，定期測試回復流程，警惕模式誤用與弱密碼。遵循這些原則，AES 能為數位資產與通訊提供堅實且可靠的安全基礎。