DES算法原理详解

1.DES算法

DES（Data Encryption Standard），是IBM在上世纪70年代开发的单密钥对称加解密算法。该算法用56位密钥+8位奇偶校验位=64位的密钥对以64位为单位的数据块进行16轮加解密处理。DES的安全性不依懒于算法的保密，安全性仅以加密密钥的保密为基础。

1.1子密钥生成过程

用户输入的密钥被转化成64比特的二进制，然后按照密钥置换函数PC-1（8X7）压缩置换成56位，输出前28位为C0输出后28位为D0。然后将C0和D0进行16轮的循环左移及压缩置换PC-2（8X6），生成16个48位的字密钥。

Ø  PC-1（8X7）压缩置换

假设密钥K（64位）=133457799BBCDFF1，红色部分为奇偶校验位。

K（64位）=00010011 00110100 01010111 01111001

                10011011 10111100 11011111 11110001

表1密钥置换函数PC-1（8X7）

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

 

        对K使用PC-1（8X7）压缩置换，去掉8个校验位，从而得到K＇。

K＇（56位）=1111000 0110011 0010101  0101111

                       0101010 1011001  1001111  0001111

                            C0和D0的分类

               图1密钥置换输出的分法

C0（28位）=1111000 0110011 0010101  0101111

D0（28位）=0101010 1011001 1001111  0001111

                  表2循环左移16轮

迭代顺序	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
左移位数	1	1	2	2	2	2	2	2	1	2	2	2	2	2	2	1

C1和D1分别为C0和D0左移1位···C3和D3分别为C2和D2左移2位···最后得到C1D1~C16D16。例如：

C1=1110000  1100110 0101010  1011111

D1=1010101  0110011 0011110  0011110

C2=1100001  1001100 1010101  0111111

D2=0101010  1100110 0111100  0111101

 

   PC-2（8X6）压缩置换

每进行一轮循环左移，就是用PC-2（8X6）进行压缩置换（由56位压缩为48位）得到一个字密钥。在压缩过程中第9、18、22、25、35、38、43、54共8位数据被丢掉。

 表2压缩置换PC-2（8X6）

PC-2	14	17	11	24	1	5
	3	28	15	6	21	10
	23	19	12	4	26	8
	16	7	27	20	13	2
	41	52	31	37	47	55
	30	40	51	45	33	48
	44	49	39	56	34	53
	46	42	50	36	29	32

 

置换过程如下图：

 

 

1.2加密

DES算法是对64位的数据块进行加密操作，不足64位要补位到64位长。明文M经过长度都为48比特的16个字密钥K来加密，最后生成长度为64比特的密文E。

 1.2.1  IP初始置换

假设明文M=0123456789ABCDEF，即

M（64位）=0000 0001 0010  0011  0100 0101  0110  0111

                     1000  1001 1010  1011  1100 1101  1110  1111

经IP初始转换后为：

IP（64位）=1100 1100  0000 0000  1100  1100 1111  1111

                     1111  0000 1010  1010  1111 0000  1010  1010

初始置换函数IP（8X8）

IP	58	50	42	34	26	18	10	2
	60	52	44	36	28	20	12	4
	62	54	46	38	30	22	14	6
	64	56	48	40	32	24	16	8
	57	49	41	33	25	17	9	1
	59	51	43	35	27	19	11	3

置换后的数据分为32位左半部分L0和32位的右半部分R0。

L0（32位）=1100 1100 0000  0000  1100 1100  1111  1111

R0（32位）=1111 0000 1010  1010  1111 0000  1010  1010

1.2.2 加密数据

1)       将Rn通过E盒从32位置换为48位；

2)       将置换结果与Kn进行异或；

3)       异或后的结果通过S盒转换为32位；

4)       经过S盒得到的32位再进行P盒置换；

5)       P盒置换后的结果与Ln进行异或，然后交换左右两部分，进行下一轮迭代；

6)       完成16轮迭代后，将得到的两部分数据合在一起，将L16与R16交换，在经过一个IP逆置换即可得到64位的密文。

运算规则：

 

*  E盒置换

由于密钥K为48位，而Rn为32位，所以要将Rn置换为48位。扩展置换E盒如下表：

32	1	2	3	4	5
4	5	6	7	8	9
8	9	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	1

* S盒置换

将异或运算得到的48位结果数据分成8个6位的块，将每一块通过对应的一个S盒产生一个4位的输出，S盒接收6位的输入，经过置换输出4位的数据。（每块对应的S盒都不同）

将6位中的B1B6记为X，B2B3B4B5记为Y。X为行数，Y为列数，然后查出相应S盒的X行Y列所对应的整数，即为S盒的输出。

        DES中其他算法都是线性的，而S盒运算则是非线性的，S盒不易于分析，它提供了更好的安全性。所以S盒是算法的关键所在。

* P盒置换

产生一个32位的输出，P盒置换数据如下表：

16	7	20	21
29	12	28	17
1	15	23	26
5	18	31	10
2	8	24	14
32	27	3	9
19	13	30	6
22	11	4	25

* IP逆置换

对R16L16运用一次IP逆置换（8X8），置换函数如下表：

40	8	48	15	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

 

1.3解密数据

解密过程和加密过程完全类似，只不过将16圈的字密钥序列顺序倒过来。