信息安全――密码学之DES介绍

  今天本想写一篇有关des算法的简介，无意中发现圈主已经完成了一篇，自认为无法写的更为详细具体。于是便略加补充后搬来了这里，希望大家不要怪游魂太懒惰。

密码技术是防止信息泄漏的技术，是信息安全技术中最重要和最基本的安全技术。

古典密码是私钥加密算法
现代密码（由乘积密码构成）包括DES, Blowfish, IDEA, LOKI, RC5, Rijndael (AES) 及其它一些算法
先来看看一些基本概念和密码学的基础知识：
对称算法可分为两类：分组密码和流密码。
       1．分组密码是将明文分成固定长度的组或块（如64比特为一组），然后用同一密钥和算法对每一块进行加密，输出密文的长度也是固定的。
       2．流密码（stream cipher）的主要原理是通过伪随机序列发生器产生性能优良的随机序列，使用该序列与明文序列叠加来输出密文序列。解密时，再用同一个随机序列与密文序列进行叠加来恢复明文。
分组密码中，
S-P network 替换-置换乘积密码的现代形式
S-P networks 是基于下列两种最基本的密码运算（前面介绍过）：
替换（ Substitution ）一个二进制字用其它二进制字替换，这种替换函数就构成密钥，可以看作是一个大的查表运算，叫做 S-boxes
置换（ Permutation ）二进制字次序被打乱，重新排序的方法构成密钥，叫这种变换为 P-boxes
把这两种运算组合在一起，一些 S-boxes 由 P-box 连接，这种变换叫做混合变换（mixing transformations ）。这种效果进一步解释为”雪崩（输入改变10bit, 导致近一半的比特发生变化）”与”完全性（每个输出比特是所有输入比特的复杂函数的输出）” 。这些设计原理是设计好的分组密码准则。 “雪崩”保证小的输入变化导致大的输出变化。完全性保证每个输出比特依赖于所有的输出比特。

   由于自己也在学习阶段，因此关于des这部分，专业学生都很容易就明白，一次写得不算详细，但希望能给大家提供一点思路，嘿嘿 （这是圈主的话 ，嘿嘿 ，游魂虽说进行了补充说明，但本人也是学生 ，有什么不足，还请多多包涵。）

 

DES利用56比特长度的密钥K
分组长度64比特，密文64比特
算法分三个阶段实现： 1.对明文X，通过一个固定的初始置换IP得到X0。 X0=IP（X）=L0 R0 分为左右两部分
2.函数F的16次迭代：LiRi(0<=i<=15） Li=Ri-1, Ri=Li-1  F(Ri-1, Ki) 其中Ki是长为48位的子密钥。子密钥K1，K2，…，K16是作为密钥K（56位）的函数而计算出的。
3.对比特串R16 L16使用逆置换IP-1得到密文Y。 Y=IP-1（R15  L15）
DES中使用的其它特定函数
初始置换IP：对明文输入进行次序的打乱。
逆置换IP-1：
扩展函数E；（32到48）
置换函数P
DES算法概要：
       1．对输入的明文从右向左按顺序每64位分为一组（不足64位时，在高位补0），并按组进行加密或解密。
       2．进行初始换位。
       3．将换位后的明文分成左、右两个部分，每部分为32位长。
       4．进行16轮相同的变换，包括密钥变换。
       5．将变换后左右两部分合并在一起。
       6．逆初始变换，输出64位密文。

DES一轮加密
F（Ri-1, Ki）：
函数F有两个输入：32的消息A=R（32bits）作第一个输入，48比特的子密钥J=K(48bits)作为第二个输入。产生的输出为长度为32的位串。
(1)对第一个变元A，先利用扩展函数E，扩展成48位E（A）
(2)计算E（A）+J，结果写成8个6位串,B=b1b2b3b4b5b6b7b8（3）使用8个S盒，每个Sj是一个固定的416矩阵，它的元素取0~15的整数。给定长度为6个比特串，如 Bj=b1b2b3b4b5b6
计算Sj(Bj)如下：b1b6两个比特确定了Sj的行数, r(0<=r<=3); 而b2b3b4b5四个比特确定了Sj的列数c（0<=c<=15）。最后Sj(Bj)的值为S-盒矩阵Sj中r行c列的元素（r,c）, 得Cj=Sj(Bj)。 (4) 最后，P为固定置换。

 

DES的争论
DES的核心是S盒，除此之外的计算是属线性的。S盒作为该密码体制的非线性组件对安全性至关重要。
S盒的设计准则： 1. S盒不是它输入变量的线性函数 2.改变S盒的一个输入位至少要引起两位的输出改变 3. 对任何一个S盒，如果固定一个输入比特，其它输入变化时，输出数字中0和1的总数近于相等。

公众仍然不知道S盒的构造中是否还使用了进一步的设计准则（有陷门？）。
密钥长度是否足够？
迭代的长度？（8、16、32？）

三重DES
假设两个密钥是K1和K2：
（1）用密钥K1进行DES加密。
（2）用K2对步骤1的结果进行DES解密。
（3）对（2）的结果使用密钥K1进行DES加密。
3DES的缺点是加、解密速度比DES慢。
加密： C=Ek1[Dk2 [Ek1(P)]]
解密： P=Dk1[Ek2 [Dk1(C)]]