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DES算法
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2 m( s$ d8 q, ?7 w2 B一、DES算法
4 h; x+ ?; q/ i9 ~8 J5 g" Q+ W! ~* {+ P& |# F
美国国家标准局1973年开始研究除国防部外的其它部门的计算机系统的数据加密标准，于 1973年5月15日和1974年8月27日先后两次向公众发出了征求加密算法的公告。加密算法要达到的目的（通常称为DES 密码算法要求）主要为以下四点： ☆提供高质量的数据保护，防止数据未经授权的泄露和未被察觉的修改；
$ R! y, G- z) r2 }. ]5 \( l) T! ]" L6 [( G
☆具有相当高的复杂性，使得破译的开销超过可能获得的利益，同时又要便于理解和掌握；
0 [$ [8 J& q$ `8 h7 h* s4 f0 L S4 A. C; [# \% y* \ `
☆DES密码体制的安全性应该不依赖于算法的保密，其安全性仅以加密密钥的保密为基础；5 ]% w9 l9 z# J; ?2 n n. _% U
& S! H- Y0 q# `, k1 \4 s5 q: k5 v☆实现经济，运行有效，并且适用于多种完全不同的应用。7 g' Y' n( `+ Q% |3 |9 I! m* p
1 |. J+ E% M: W/ n9 i
( Z* F5 Q( O" D+ e( ]
1977年1月，美国政府颁布：采纳IBM公司设计的方案作为非机密数据的正式数据加密标准（DES棗Data Encryption Standard）。5 B/ g9 B J& Z' G
+ C2 {3 [" T& T! K$ _) C/ [
目前在国内，随着三金工程尤其是金卡工程的启动，DES算法在POS、ATM、磁卡及智能卡（IC卡）、加油站、高速公路收费站等领域被广泛应用，以此 来实现关键数据的保密，如信用卡持卡人的PIN的加密传输，IC卡与POS间的双向认证、金融交易数据包的MAC校验等，均用到DES算法。
, M$ m; N% D# E b' KDES算法的入口参数有三个：Key、Data、Mode。其中Key为8个字节共64位，是DES算法的工作密钥；Data也为8个字节64位，是要被加密或被解密的数据；Mode为DES的工作方式，有两种：加密或解密。
5 b. u+ N0 P/ {% O4 }& U0 H# cDES算法是这样工作的：如Mode为加密，则用Key 去把数据Data进行加密， 生成Data的密码形式（64位）作为DES的输出结果；如Mode为解密，则用Key去把密码形式的数据Data解密，还原为Data的明码形式（64 位）作为DES的输出结果。在通信网络的两端，双方约定一致的Key，在通信的源点用Key对核心数据进行DES加密，然后以密码形式在公共通信网（如电 话网）中传输到通信网络的终点，数据到达目的地后，用同样的Key对密码数据进行解密，便再现了明码形式的核心数据。这样，便保证了核心数据（如PIN、 MAC等）在公共通信网中传输的安全性和可靠性。
6 v" o3 q. [2 d4 B) P! R通过定期在通信网络的源端和目的端同时改用新的Key，便能更进一步提高数据的保密性，这正是现在金融交易网络的流行做法。
& v: |% r, c* [DES算法详述
0 W) ?- m9 ~# C6 X gDES算法把64位的明文输入块变为64位的密文输出块，它所使用的密钥也是64位，整个算法的主流程图如下：
! F( p9 b# \' _: i$ D9 S+ u# o% l其功能是把输入的64位数据块按位重新组合，并把输出分为L0、R0两部分，每部分各长32位，其置换规则见下表：
/ O. U" o5 R% Y# _! g& O G58,50,12,34,26,18,10,2,60,52,44,36,28,20,12,4,
& T. c0 u' R) |% k, b D62,54,46,38,30,22,14,6,64,56,48,40,32,24,16,8,
* _' C2 i& O" g# Q) A$ _, H57,49,41,33,25,17, 9,1,59,51,43,35,27,19,11,3,4 O1 h: i' b' d/ ~6 o1 M
61,53,45,37,29,21,13,5,63,55,47,39,31,23,15,7,9 u3 a5 n! G7 S1 O3 k2 ]4 k
即将输入的第58位换到第一位，第50位换到第2位，...，依此类推，最后一位是原来的第7位。L0、R0则是换位输出后的两部分，L0是输出的左 32位，R0 是右32位，例：设置换前的输入值为D1D2D3......D64，则经过初始置换后的结果为：L0=D58D50...D8；R0= D57D49...D7。
. Y W3 g7 V7 f! o, n/ B! ?经过16次迭代运算后。得到L16、R16，将此作为输入，进行逆置换，即得到密文输出。逆置换正好是初始置的逆运算，例如，第1位经过初始置换后，处于第40位，而通过逆置换，又将第40位换回到第1位，其逆置换规则如下表所示：8 h+ ?* U5 P- }) D' G
40,8,48,16,56,24,64,32,39,7,47,15,55,23,63,31,+ L6 ?3 v; Z4 F0 f
38,6,46,14,54,22,62,30,37,5,45,13,53,21,61,29,) w2 \% g5 V2 G9 w4 a! l3 ^. P
36,4,44,12,52,20,60,28,35,3,43,11,51,19,59,27,
1 |, \; t* ~ `, B/ [4 q34,2,42,10,50,18,58 26,33,1,41, 9,49,17,57,25,
% `% b0 p1 f8 v9 w放大换位表2 D, O- \' V/ t6 p0 y- j! G
32, 1, 2, 3, 4, 5, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 8, 9, 10,11,: _) k* H6 d o/ d# ]1 n4 S
12,13,12,13,14,15,16,17,16,17,18,19,20,21,20,21,- h% N4 F: d6 a# H& b z& @3 s# J
22,23,24,25,24,25,26,27,28,29,28,29,30,31,32, 1,
0 ?' P& a" C: d2 z q z单纯换位表% K# i [; c( I$ W. v
16,7,20,21,29,12,28,17, 1,15,23,26, 5,18,31,10,
1 E0 S( \9 V) p# h2,8,24,14,32,27, 3, 9,19,13,30, 6,22,11, 4,25,8 Z( ~ x! ^/ b4 p" p1 A: [1 u
在f(Ri,Ki)算法描述图中，S1,S2...S8为选择函数，其功能是把6bit数据变为4bit数据。下面给出选择函数Si(i=1,2......8)的功能表：* S0 U7 Q( p1 B2 g2 R0 X7 t
选择函数Si
& ^$ {' s4 g6 Z& t0 W* w; ~S1:
( q( P0 K5 G4 U) E14,4,13,1,2,15,11,8,3,10,6,12,5,9,0,7,
$ N, Z' ?6 g: S, i( a3 W. L6 s' f% g0,15,7,4,14,2,13,1,10,6,12,11,9,5,3,8,8 B' i. S7 ]7 T/ d# N
4,1,14,8,13,6,2,11,15,12,9,7,3,10,5,0,
; S* I9 g8 R* U5 m4 Y$ I2 g6 Z15,12,8,2,4,9,1,7,5,11,3,14,10,0,6,13,8 c+ x4 a/ w/ J4 v# q& Q& t
S2:
$ G+ t. K" W. J! [7 ]15,1,8,14,6,11,3,4,9,7,2,13,12,0,5,10,
' z1 F, t' T( ]% w3,13,4,7,15,2,8,14,12,0,1,10,6,9,11,5,
I9 E$ v3 F+ o; T8 y1 H1 u, i0,14,7,11,10,4,13,1,5,8,12,6,9,3,2,15,
$ y' Z8 y% {2 h/ F5 u13,8,10,1,3,15,4,2,11,6,7,12,0,5,14,9,% \, H5 x' V# P' C+ ]& F: ]
S3:( Q+ h+ w# s% \
10,0,9,14,6,3,15,5,1,13,12,7,11,4,2,8,. {5 r' X; F$ S$ E: u
13,7,0,9,3,4,6,10,2,8,5,14,12,11,15,1," ?& O6 m& \ F0 c: \8 \
13,6,4,9,8,15,3,0,11,1,2,12,5,10,14,7,8 C- v% r0 E' j0 ~; D
1,10,13,0,6,9,8,7,4,15,14,3,11,5,2,12,
: G3 g m3 B$ I/ OS4:
8 Z/ B$ R/ l! U0 A5 N7,13,14,3,0,6,9,10,1,2,8,5,11,12,4,15,/ L, C. R! g; l
13,8,11,5,6,15,0,3,4,7,2,12,1,10,14,9, W8 t) h! ^% M
10,6,9,0,12,11,7,13,15,1,3,14,5,2,8,4,4 K3 W% h$ T/ } |1 e) q0 d
3,15,0,6,10,1,13,8,9,4,5,11,12,7,2,14,
3 e+ E) T% _# x2 D; v2 ?S5:
0 o7 C* e" v9 X2,12,4,1,7,10,11,6,8,5,3,15,13,0,14,9,
% p. Q$ {, \- a; v9 I* U# N9 |14,11,2,12,4,7,13,1,5,0,15,10,3,9,8,6,- o$ X: \% X$ e% L2 u
4,2,1,11,10,13,7,8,15,9,12,5,6,3,0,14,
) @' q2 {3 Y$ G* C2 L0 n11,8,12,7,1,14,2,13,6,15,0,9,10,4,5,3,
4 |& I: w2 v4 Z/ F5 lS6:2 K: o9 @; B& p/ B J
12,1,10,15,9,2,6,8,0,13,3,4,14,7,5,11,
9 a$ |' _# C& N/ [# C7 W, N8 m/ Q10,15,4,2,7,12,9,5,6,1,13,14,0,11,3,8,
9 F! e" |3 ~: X/ N2 R. H7 \" g9,14,15,5,2,8,12,3,7,0,4,10,1,13,11,6,
# S: p7 o( k. k9 n8 s0 {( ^" T" F4,3,2,12,9,5,15,10,11,14,1,7,6,0,8,13,2 P' g" {) L( ^% Q; S( j. H
S7:8 A- C- X6 J/ Y8 \/ s+ r# |9 j& H
4,11,2,14,15,0,8,13,3,12,9,7,5,10,6,1,2 s' ^- l- w- L% H" b
13,0,11,7,4,9,1,10,14,3,5,12,2,15,8,6,
# \; S4 Q# z6 t+ x7 }1,4,11,13,12,3,7,14,10,15,6,8,0,5,9,2,
+ Q# [9 @1 V1 |# `+ I* c" x6,11,13,8,1,4,10,7,9,5,0,15,14,2,3,12,4 y. V- h4 A! b
S8:( U w( V* T' x6 g4 I7 N5 z
13,2,8,4,6,15,11,1,10,9,3,14,5,0,12,7,
# A+ j. F4 ?" ? C1,15,13,8,10,3,7,4,12,5,6,11,0,14,9,2,6 ~1 Y7 D5 T8 j3 `8 P. s5 g7 d! v
7,11,4,1,9,12,14,2,0,6,10,13,15,3,5,8,
* |' F6 R8 C( @/ B b3 ], L# s! h2,1,14,7,4,10,8,13,15,12,9,0,3,5,6,11,
% ^ W' _* E/ u5 t7 C W7 d在此以S1为例说明其功能，我们可以看到：在S1中，共有4行数据，命名为0，1、2、3行；每行有16列，命名为0、1、2、3，......，14、15列。# I6 M2 k- Q+ {/ }5 T4 B
现设输入为： D＝D1D2D3D4D5D6) M3 }3 a r$ R! A* t
令：列＝D2D3D4D5: ?6 [( ^" `9 ~# _% t
行＝D1D6: P4 Q7 Q+ A& @5 h5 x
然后在S1表中查得对应的数，以4位二进制表示，此即为选择函数S1的输出。下面给出子密钥Ki(48bit)的生成算法' M+ W, n) Z9 w4 v4 M- j% F* n1 R
从子密钥Ki的生成算法描述图中我们可以看到：初始Key值为64位，但DES算法规定，其中第8、16、......64位是奇偶校验位，不参与 DES运算。故Key 实际可用位数便只有56位。即：经过缩小选择换位表1的变换后，Key 的位数由64 位变成了56位，此56位分为C0、D0两部分，各28位，然后分别进行第1次循环左移，得到C1、D1，将C1（28位）、D1（28位）合并得到56 位，再经过缩小选择换位2，从而便得到了密钥K0（48位）。依此类推，便可得到K1、K2、......、K15，不过需要注意的是，16次循环左移对 应的左移位数要依据下述规则进行：
8 a# |5 g( H' b9 R/ t循环左移位数
I0 r5 m. s( @" n1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1
/ p7 ?0 e# j1 r2 h以上介绍了DES算法的加密过程。DES算法的解密过程是一样的，区别仅仅在于第一次迭代时用子密钥K15，第二次K14、......，最后一次用K0，算法本身并没有任何变化。
) s. T/ y1 n3 C3 u% p( r( [- B2 d& S0 T- Y4 H! K
J" V; R& t# m; f
* O1 j, W4 d: ~8 `: f二、DES算法理论图解
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DES的算法是对称的，既可用于加密又可用于解密。下图是它的算法粗框图。其具体运算过程有如下七步。: o4 N# O( L7 L, I; u% u b
, ^% @7 Y/ v, e3 J2 Y7 d- C
三、DES算法的应用误区
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4 N- a3 `8 s+ f; ?DES算法具有极高安全性，到目前为止，除了用穷举搜索法对DES算法进行攻击外，还没有发现更有效的办法。而56位长的密钥的穷举空间为256，这意 味着如果一台计算机的速度是每一秒种检测一百万个密钥，则它搜索完全部密钥就需要将近2285年的时间，可见，这是难以实现的，当然，随着科学技术的发 展，当出现超高速计算机后，我们可考虑把DES密钥的长度再增长一些，以此来达到更高的保密程度。. j/ o; E) p/ o* k
由上述DES算法介绍我们可以看到：DES 算法中只用到64位密钥中的其中56位，而第8、16、24、......64位8个位并未参与DES运算，这一点，向我们提出了一个应用上的要求，即 DES的安全性是基于除了8，16，24，......64位外的其余56位的组合变化256才得以保证的。因此，在实际应用中，我们应避开使用第8， 16，24，......64位作为有效数据位，而使用其它的56位作为有效数据位，才能保证DES算法安全可靠地发挥作用。如果不了解这一点，把密钥 Key的8，16，24，..... .64位作为有效数据使用，将不能保证DES加密数据的安全性，对运用DES来达到保密作用的系统产生数据被破译的危险，这正是DES算法在应用上的误 区，留下了被人攻击、被人破译的极大隐患。+ F6 W' l5 P2 W& c+ A6 M N, p
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发表于 2020-9-22 14:47
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