分组密码--DES算法

什么是DES算法

DES是一种对称密码，加密和解密用的都是同一个密钥，有效密钥长度为56位。DES是一个分组密码算法，分组长度为64位，即对数据进行加解密的单位是64位，明文和密文的长度相同。由于加密和解密用的是同一算法，所以有利于硬件和软件上的实现。注意上面说的56位是有效密钥长度，事实上我们用的是64位密钥，但是第8,16,24,32,40,56和64位是奇偶校验位

DES算法的概述

1.分组的加密算法

明文和密文为64位分组长度。

2.对称算法

加密和解密除密钥编排不同外，使用同一算法。

3.密钥长度

56位，但存在弱密钥，容易避开。

4.采用混乱和扩散的组合，每个组合先替代后置换，共16轮

5.只使用了标准的算术和逻辑运算，易于实现

6.现代密码学诞生的标志之一，揭开了商用密码研究的序幕

DES加密流程图

DES算法的实现

（一）初始置换（IP）。将明文块的位进行换位，其置换表示固定的。初始置换表为8*8的表格，第一位58表示该位置存放明文中的第58位字符。第1位字符已经变换到40位的位置。
　　注意初始置换是固定公开的函数，因此没有密码的意义。作用不大，它们的作用在于打乱原来输入x的ASCII码字划分的关系。经过初始置换之后，64位明文分成了两组L和R,各32位。由于这种方法软件实现较为麻烦，所有很多软件实现都删去了初始置换。经过初始置换，64位的输入得到了两个32位的输出。

（二）16轮的轮函数F变换。轮函数F由3个部分组成：扩展置换（E盒），非线性代换（S盒）和线性置换（P盒）。

（1）E盒的作用是将32为扩展为48位，其扩展规则按下表进行。该表大小为6*8，去掉最左和最右两行，中间的四列包含了1-32的顺序。第1列和第6列分别是对第4和第1列的扩展。经过扩展置换，32位的输入得到了48位的输出。

（2）S盒的作用是进行非线性代换。S盒是DES中唯一的非线性部分，DES的安全强度主要取决于S盒的安全程度。S盒运算其实是一个查表运算。在E盒的扩展之后得到了48位的数据，将其和48位的子密钥进行异或运算，这是密钥参与运算的步骤。将其分成8个组，每组6个，送到8个S盒中去。每一个S盒都是一个6位输入4位输出的结构，也就是说，48位输入到8个S盒会得到4*8=32位的输出。6位输入到8位输出的映射关系如下表所示，其中，第一位和最后一位作为行号，第二位到第五位最为列号。例如，101100，则行号为10=2，列号为0110=6。查得（2,6）=2，化成二进制位0010。注意，8个S盒的映射关系各不相同。

（3）P盒的作用只是进行简单的位置置换，只是简单地把一位换成另一位，不进行扩展和压缩。经过P盒操作，32位的输入得到32位的输出。

轮函数F剩下的步骤通过轮函数的组成图可以清晰看出，这里不再详细介绍。主要就是进行异或操作。就这样对经过E盒拓展的64位数据进行16轮的变换。

（三）逆初始置换。如果进行初始置换，则必须进行逆初始置换，逆初始置换的实现和初始置换一样，只是置换表不同而已。

DES子密钥生成方法

DES的初始64位密钥通过置换选择PC-1得到有效的56位密钥。这56位分为2个28位数据C0和D0。每轮迭代中Ci-1和Di-1分别循环左移1位或2位，移位后的值作为下一轮的输入，同时也作为置换选择PC-2的输入，通过置换选择PC-2产生一个48位的输出，即为一个子密钥。64位密钥生成了16个48位的子密钥。

PC-1表（用于置换选择1）

PC-2表（用于置换选择2）

DES的核心技术

S盒设计准则

1.具有良好的非线性；
　　2.每一行包括所有16种4位二进制；
　　3.两个输入相差1比特时，输出相差2比特；
　　4.如果两个输入刚好在中间两个比特上不同，则输出至少有输入至少有两个比特不同；
　　5.如果两个输入前两位不同而最后两位相同，则输出一定不同。

P盒设计准则

1.每个S盒的4位输出影响下一轮6个不同的S盒，但是没有两位影响同一S盒；
　　2.在第i轮S盒的4位输出中，2位将影响i+1轮中间位置，其余2位数将影响两端位；
　　3.如个一个S盒的4位输出影响另一个S盒的中间的一位，则后一个的输出位不会影响前面一个S盒的中间位。

DES的解密算法

DES解密流程图