DES加密算法原理

• 什么是对称密码算法

网络安全通信中要用到两类密码算法，一类是对称密码算法，另一类是非对称密码算法。对称密码算法有时又叫传统密码算法、秘密密钥算法或单密钥算法，非对称密码算法也叫公开密钥密码算法或双密钥算法。对称密码算法的加密密钥能够从解密密钥中推算出来，反过来也成立。在大多数对称算法中，加密解密密钥是相同的。它要求发送者和接收者在安全通信之前，商定一个密钥。对称算法的安全性依赖于密钥，泄漏密钥就意味着任何人都能对消息进行加密解密。只要通信需要保密，密钥就必须保密。

对称算法又可分为两类。一次只对明文中的单个位（有时对字节）运算的算法称为序列算法或序列密码。另一类算法是对明文的一组位进行运算，这些位组称为分组，相应的算法称为分组算法或分组密码。现代计算机密码算法的典型分组长度为64位――这个长度既考虑到分析破译密码的难度，又考虑到使用的方便性。后来，随着破译能力的发展，分组长度又提高到128位或更长。
常用的采用对称密码术的加密方案有5个组成部分（如图所示）

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1)明文：原始信息。
2)加密算法：以密钥为参数，对明文进行多种置换和转换的规则和步骤，变换结果为密文。
3)密钥：加密与解密算法的参数，直接影响对明文进行变换的结果。
4)密文：对明文进行变换的结果。
5)解密算法：加密算法的逆变换，以密文为输入、密钥为参数，变换结果为明文。

• 对称密码常用的数学运算

对称密码当中有几种常用到的数学运算。这些运算的共同目的就是把被加密的明文数码尽可能深地打乱，从而加大破译的难度。

◆移位和循环移位
　　移位就是将一段数码按照规定的位数整体性地左移或右移。循环右移就是当右移时，把数码的最后的位移到数码的最前头，循环左移正相反。例如，对十进制数码12345678循环右移1位（十进制位）的结果为81234567，而循环左移1位的结果则为23456781。
◆置换
　　就是将数码中的某一位的值根据置换表的规定，用另一位代替。它不像移位操作那样整齐有序，看上去杂乱无章。这正是加密所需,被经常应用。
◆扩展
　　就是将一段数码扩展成比原来位数更长的数码。扩展方法有多种,例如,可以用置换的方法，以扩展置换表来规定扩展后的数码每一位的替代值。
◆压缩
　　就是将一段数码压缩成比原来位数更短的数码。压缩方法有多种，例如，也可以用置换的方法，以表来规定压缩后的数码每一位的替代值。
◆异或
　　这是一种二进制布尔代数运算。异或的数学符号为⊕ ，它的运算法则如下：
1⊕1 = 0
0⊕0 = 0
1⊕0 = 1
0⊕1 = 1
　　也可以简单地理解为，参与异或运算的两数位如相等，则结果为0，不等则为1。
◆迭代
　　迭代就是多次重复相同的运算，这在密码算法中经常使用，以使得形成的密文更加难以破解。

• DES算法简介

下面我们将介绍一种流行的对称密码算法DES。

DES是Data Encryption Standard（数据加密标准）的缩写。它是由IBM公司研制的一种对称密码算法，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，三十年来，它一直活跃在国际保密通信的舞台上，扮演了十分重要的角色。

DES是一个分组加密算法，典型的DES以64位为分组对数据加密，加密和解密用的是同一个算法。它的密钥长度是56位（因为每个第8 位都用作奇偶校验），密钥可以是任意的56位的数，而且可以任意时候改变。其中有极少数被认为是易破解的弱密钥，但是很容易避开它们不用。所以保密性依赖于密钥。

DES加密的算法框架如下：
　　首先要生成一套加密密钥，从用户处取得一个64位长的密码口令，然后通过等分、移位、选取和迭代形成一套16个加密密钥，分别供每一轮运算中使用。

DES对64位(bit)的明文分组M进行操作，M经过一个初始置换IP，置换成m0。将m0明文分成左半部分和右半部分m0 = (L0，R0)，各32位长。然后进行16轮完全相同的运算（迭代），这些运算被称为函数f，在每一轮运算过程中数据与相应的密钥结合。

在每一轮中，密钥位移位，然后再从密钥的56位中选出48位。通过一个扩展置换将数据的右半部分扩展成48位，并通过一个异或操作替代成新的48位数据，再将其压缩置换成32位。这四步运算构成了函数f。然后，通过另一个异或运算，函数f的输出与左半部分结合，其结果成为新的右半部分，原来的右半部分成为新的左半部分。将该操作重复16次。

经过16轮迭代后，左，右半部分合在一起经过一个末置换（数据整理），这样就完成了加密过程。
加密流程如图所示。

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DES解密过程：
　　在了解了加密过程中所有的代替、置换、异或和循环迭代之后，读者也许会认为，解密算法应该是加密的逆运算，与加密算法完全不同。恰恰相反，经过密码学家精心设计选择的各种操作，DES获得了一个非常有用的性质：加密和解密使用相同的算法！

DES加密和解密唯一的不同是密钥的次序相反。如果各轮加密密钥分别是K1，K2，K3…K16，那么解密密钥就是K16，K15，K14…K1。这也就是DES被称为对称算法的理由吧。

至于对称密码为什么能对称? DES具体是如何操作的？本文附录中将做进一步介绍，有兴趣的读者不妨去读一读探个究竟

4.DES算法的安全性和发展
　　DES的安全性首先取决于密钥的长度。密钥越长，破译者利用穷举法搜索密钥的难度就越大。目前，根据当今计算机的处理速度和能力，56位长度的密钥已经能够被破解，而128位的密钥则被认为是安全的，但随着时间的推移，这个数字也迟早会被突破。

另外，对DES算法进行某种变型和改进也是提高DES算法安全性的途径。

例如后来演变出的3-DES算法使用了3个独立密钥进行三重DES加密，这就比DES大大提高了安全性。如果56位DES用穷举搜索来破译需要2∧56次运算，而3-DES 则需要2∧112次。

又如，独立子密钥DES由于每轮都使用不同的子密钥，这意味着其密钥长度在56位的基础上扩大到768位。DES还有DESX、CRYPT、GDES、RDES等变型。这些变型和改进的目的都是为了加大破译难度以及提高密码运算的效率

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