DES算法详解

Posted 2021-03-18 jockming

一、简介

　　DES（Data Encryption Standard）数据加密标准。

　　DES是有IBM公司研制的一种对称加密算法，美国国家标准局于1977年公布把它作为非机要部门使用的数据加密标准。

　　DES是一个分组加密算法，就是将明文分组进行加密，每次按顺序取明文一部分，一个典型的DES以64位为分组，加密解密用算法相同。它的密钥长度为56位，因为每组第8位是用来做奇偶校验，密钥可以是任意56位的数，保密性依赖于密钥。

二、概念

　　1、密钥：8个字节共64位的工作密钥（决定保密性能）

　　2、明文：8个字节共64位的需要被加密的数据

　　3、密文：8个字节共64位的需要被解密的数据

三、加解密过程

加密

　　1、明文数据分组，64位一组。

　　2、对每组数据进行初始置换。

　　　　即将输入的64位明文的第1位置换到第40位，第2位置换到第8位，第3位置换到第48位。以此类推，最后一位是原来的第7位。置换规则是规定的。L0(Left)是置换后的数据的前32位，R0(Right)是置换后的数据的后32位；

　　　　具体置换规则有四步：

　　　　第一步：将明文数据转换为16*4的二维数组，形成一个数据空间。

　　　　第二步：数据左右对分，变成两个16*2的二维数组，然后每个数组各自都需要这样操作：从下往上，每两行形成一行数据。分别得到两个8*4的二维数组。

　　　　第三步：新建一个16*4的二维数组（strNew1[16][4]），数组上半部分空间的数据存储左边数据块置换的结果，下半部分存储右边数据库置换的结果。

　　　　最后一步：把整个（strNew1[16][4]）16*4的二维数组数据空间的按列进行置换到新的二维数组（strNew2[16][4]）：

　　　　数组strNew1第2列放到数组strNew2第1列的位置；

　　　　数组strNew1第4列放到数组strNew2第2列的位置；

　　　　数组strNew1第1列放到数组strNew2第3列的位置；

　　　　数组strNew1第3列放到数组strNew2第4列的位置；

　　　　数组strNew2就是我们初始置换的结果。

　　3、在初始置换后，明文数据再被分为左右两部分，每部分32位，以L₀，R₀表示。

　　4、在秘钥的控制下，经过16轮的f函数运算。

　　　　函数f的输出经过一个异或运算，和左半部分结合形成新的右半部分，原来的右半部分成为新的左半部分。

　　　　函数f由四步运算构成：秘钥置换(Kn的生成，n=0~16)，总共16轮，每轮都会产生一个子密钥；扩展置换（也有一个置换表）；S-盒代替（8个用于代替的数组）；P-盒置换（置换表）。时间有限，这里就不做深入讲解，具体置换过程，大家可以参看我的博客。

　　f函数运算流程：

　　4.1、秘钥置换--子密钥生成

　　DES算法由64位秘钥产生16轮的48位子秘钥。在每一轮的迭代过程中，使用不同的子秘钥。

　　a、把密钥的奇偶校验位忽略不参与计算，即每个字节的第8位，将64位密钥降至56位，然后根据选择置换PC-1将这56位分成两块C0(28位)和D0(28位)；

　　b、将C0和D0进行循环左移变化(注：每轮循环左移的位数由轮数决定)，变换后生成C1和D1，然后C1和D1合并，并通过选择置换PC-2生成子密钥K1(48位)；

　　c、C1和D1在次经过循环左移变换，生成C2和D2，然后C2和D2合并，通过选择置换PC-2生成密钥K2(48位)；

　　d、以此类推，得到K16(48位)。但是最后一轮的左右两部分不交换，而是直接合并在一起R16L16，作为逆置换的输入块。其中循环左移的位数一共是循环左移16次，其中第一次、第二次、第九次、第十六次是循环左移一位，其他都是左移两位。

　　4.2 密钥置换选择1（PC-1）(子秘钥的生成)

　　操作对象是64位秘钥

　　64位秘钥降至56位秘钥不是说将每个字节的第八位删除，而是通过缩小选择换位表1（置换选择表1）的变换变成56位。置换表（PC-1）如下：

　　注意：这里的数字表示的是原数据的位置（下标），不是数据

57,49,41,33,25,17,09,01,
58,50,42,34,26,18,10,02,
59,51,43,35,27,19,11,03,
60,52,44,36,63,55,47,39,
31,23,15,07,62,54,46,38,
30,22,14,06,61,53,45,37,
29,21,13,05,28,20,12,04

　　再将56位秘钥分成C₀和D₀：

　　C₀(28位)=K₅₇K₄₉K₄₁...K₄₄K₃₆

57,49,41,33,25,17,09,
01,58,50,42,34,26,18,
10,02,59,51,43,35,27,
19,11,03,60,52,44,36,

　　D₀(28位)=K₆₃K₅₅K₄₇...K₁₂K₀₄

63,55,47,39,31,23,15,
07,62,54,46,38,30,22,
14,06,61,53,45,37,29,
21,13,05,28,20,12,04

　　根据轮数，将C_n和D_n分别循环左移1位或2位

　　循环左移每轮移动的位数如下：

　　第一轮是循环左移1位。C₀循环左移1位后得到C₁如下：

49,41,33,25,17,09,01,
58,50,42,34,26,18,10,
02,59,51,43,35,27,19,
11,03,60,52,44,36,57

　　D₀循环左移1位后得到D₁如下：

55,47,39,31,23,15,07,
62,54,46,38,30,22,14,
06,61,53,45,37,29,21,
13,05,28,20,12,04,63

　　C₁和D₁合并之后，再经过置换选择表2生成48位的子秘钥K1。置换选择表2(PC-2)如下：

　　去掉第9、18、22、25、35、38、43、54位，从56位变成48位，再按表(PC-2)的位置置换。

14,17,11,24,01,05,
03,28,15,06,21,10,
23,19,12,04,26,08,
16,07,27,20,13,02,
41,52,31,37,47,55,
30,40,51,45,33,48,
44,49,39,56,34,53,
46,42,50,36,29,32

　　C₁和D₁再次经过循环左移变换，生成C₂和D₂，C₂和D₂合并，通过PC-2生成子秘钥K₂。
　　以此类推，得到子秘钥K₁~K₁₆。需要注意其中循环左移的位数。

　　4.3 扩展置换E(E位选择表)

　　通过扩展置换E，数据的右半部分R_n从32位扩展到48位。扩展置换改变了位的次序，重复了某些位。

　　扩展置换的目的：

　　a、产生与秘钥相同长度的数据以进行异或运算，R₀是32位，子秘钥是48位，所以R₀要先进行扩展置换之后与子秘钥进行异或运算；

　　b、提供更长的结果，使得在替代运算时能够进行压缩。

　　扩展置换E规则如下：

　　扩展置换E（数组）如下：

32,01,02,03,04,05,
04,05,06,07,08,09,
08,09,10,11,12,13,
12,13,14,15,16,17,
16,17,18,19,20,21,
20,21,22,23,24,25,
24,25,26,27,28,29,
28,29,30,31,32,01

　　4.4 S-盒代替(功能表S盒)
　　R_n扩展置换之后与子秘钥K_n异或以后的结果作为输入块进行S盒代替运算
　　功能是把48位数据变为32位数据

　　代替运算由8个不同的代替盒(S盒)完成。每个S-盒有6位输入，4位输出。

　　所以48位的输入块被分成8个6位的分组，每一个分组对应一个S-盒代替操作。

　　经过S-盒代替，形成8个4位分组结果。

　　注意：每一个S-盒的输入数据是6位，输出数据是4位，但是每个S-盒自身是64位
　　每个S-和是4行16列的格式，因为二进制4位是0~15。8个S-盒的值如下：

　　S-盒1：

14,4,13,1,2,15,11,8,3,10,6,12,5,9,0,7,
0,15,7,4,14,2,13,1,10,6,12,11,9,5,3,8,
4,1,14,8,13,6,2,11,15,12,9,7,3,10,5,0,
15,12,8,2,4,9,1,7,5,11,3,14,10,0,6,13

　　S-盒2：

15,1,8,14,6,11,3,4,9,7,2,13,12,0,5,10,
3,13,4,7,15,2,8,14,12,0,1,10,6,9,11,5,
0,14,7,11,10,4,13,1,5,8,12,6,9,3,2,15,
13,8,10,1,3,15,4,2,11,6,7,12,0,5,14,9

　　S-盒3：

10,0,9,14,6,3,15,5,1,13,12,7,11,4,2,8,
13,7,0,9,3,4,6,10,2,8,5,14,12,11,15,1,
13,6,4,9,8,15,3,0,11,1,2,12,5,10,14,7,
1,10,13,0,6,9,8,7,4,15,14,3,11,5,2,12

　　S-盒4：

7,13,14,3,0,6,9,10,1,2,8,5,11,12,4,15,
13,8,11,5,6,15,0,3,4,7,2,12,1,10,14,9,
10,6,9,0,12,11,7,13,15,1,3,14,5,2,8,4,
3,15,0,6,10,1,13,8,9,4,5,11,12,7,2,14

　　S-盒5：

2,12,4,1,7,10,11,6,8,5,3,15,13,0,14,9,
14,11,2,12,4,7,13,1,5,0,15,10,3,9,8,6,
4,2,1,11,10,13,7,8,15,9,12,5,6,3,0,14,
11,8,12,7,1,14,2,13,6,15,0,9,10,4,5,3

　　S-盒6：

12,1,10,15,9,2,6,8,0,13,3,4,14,7,5,11,
10,15,4,2,7,12,9,5,6,1,13,14,0,11,3,8,
9,14,15,5,2,8,12,3,7,0,4,10,1,13,11,6,
4,3,2,12,9,5,15,10,11,14,1,7,6,0,8,13

　　S-盒7：

4,11,2,14,15,0,8,13,3,12,9,7,5,10,6,1,
13,0,11,7,4,9,1,10,14,3,5,12,2,15,8,6,
1,4,11,13,12,3,7,14,10,15,6,8,0,5,9,2,
6,11,13,8,1,4,10,7,9,5,0,15,14,2,3,12

　　S-盒8：

13,2,8,4,6,15,11,1,10,9,3,14,5,0,12,7,
1,15,13,8,10,3,7,4,12,5,6,11,0,14,9,2,
7,11,4,1,9,12,14,2,0,6,10,13,15,3,5,8,
2,1,14,7,4,10,8,13,15,12,9,0,3,5,6,11

　　S-盒计算过程

　　假设S-盒8的输入(即异或函数的第43~18位)为110011。

　　第1位和最后一位组合形成了11(二进制)，对应S-盒8的第3行。中间的4位组成形成1001(二进制),对应S-盒8的第9列。所以对应S-盒8第3行第9列值是12。则S-盒输出是1100(二进制)。

　　4.5 P-盒置换

　　S-盒代替运算，每一盒得到4位，8盒共得到32位输出。这32位输出作为P盒置换的输入块。

　　P盒置换将每一位输入位映射到输出位。任何一位都不能被映射两次，也不能被略去。

　　经过P-盒置换的结果与最初64位分组的左半部分异或，然后左右两部分交换，开始下一轮迭代。

　　P-盒置换表(表示数据的位置)共32位

16,07,20,21,29,12,28,17,01,15,23,26,5,18,31,10,
02,08,24,14,32,27,03,9,19,13,30,06,22,11,04,25

　　将32位的输入的第16位放在第一位，第七位放在第二位，第二十位放在第三位，以此类推。

　　5、16轮后，左、右两部分交换，并连接再一起，再进行逆置换（初始置换的逆运算）。

　　逆置换过程：

　　　　将初始置换进行16次的迭代，即进行16层的加密变换，这个运算过程我们暂时称为函数f。得到L16和R16，将此作为输入块，进行逆置换得到最终的密文输出块。逆置换是初始置换的逆运算。从初始置换规则中可以看到，原始数据的第1位置换到了第40位，第2位置换到了第8位。则逆置换就是将第40位置换到第1位，第8位置换到第2位。以此类推，逆置换规则如下

40,8,48,16,56,24,64,32,39,7,47,15,55,23,63,31,
38,6,46,14,54,22,62,30,37,5,45,13,53,21,61,29,
36,4,44,12,52,20,60,28,35,3,43,11,51,19,59,27,
34,2,42,10,50,18,58 26,33,1,41, 9,49,17,57,25,

　　　　注意：DES算法的加密密钥是根据用户输入的秘钥生成的,该算法把64位密码中的第8位、第16位、第24位、第32位、第40位、第48位、第56位、第64位作为奇偶校验位,在计算密钥时要忽略这8位.所以实际中使用的秘钥有效位是56位。

　　　　秘钥共64位，每次置换都不考虑每字节的第8位，因为这一位是奇偶校验位，所以64位秘钥的第8、16、24、32、40、48、56、64位在计算秘钥时均忽略。

　　6、输出64位密文。

 

注意：为了美观，除了S盒子和逆置换表的单个数字前面没有加0，其他表均添加了0来补齐位置。

解密

　　加密和解密可以使用相同的算法。加密和解密唯一不同的是秘钥的次序是相反的。就是说如果每一轮的加密秘钥分别是K1、K2、K3...K16，那么解密秘钥就是K16、K15、K14...K1。为每一轮产生秘钥的算法也是循环的。加密是秘钥循环左移，解密是秘钥循环右移。解密秘钥每次移动的位数是：0、1、2、2、2、2、2、2、1、2、2、2、2、2、2、1。

五、DES算法优缺点

　　1、优点：简单，容易实现，运行效率高。

　　2、缺点：容易被暴力破解，密钥难管理，不好分配（密钥交换问题--如何安全的将密钥传输给解密方），无签名认证功能。

六、算法改进（3DES）

　　它相当于是对每个数据块应用三次DES加密算法。普通DES算法密钥长度较短，容易被暴力破解。3DES即通过增加DES的密钥长度来避免类似的攻击。