DES算法详解

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了DES算法详解相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

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Cn和Dn分别循环左移1位或2位

  循环左移每轮移动的位数如下:

技术图片

  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Rn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:
技术图片

  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)
  Rn扩展置换之后与子秘钥Kn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

技术图片

  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。

以上是关于DES算法详解的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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