聊聊密碼學中的DES算法

時間 2021-08-12

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今天要說點和你的隱私有關的事情，在這個信息化的時代，是否是真的有人一手握着你的信息，一手數着鈔票呢？答案必定是固然。算法

說到網絡安全，我就不得不提一個東西——密碼學（是否是聽起來頭皮發麻心跳加速），穩住穩住，老司機上線帶你學。今天給你們say&see什麼是密碼學中的DES。安全

簡介

DES：markdown

English Name：Data Encrytion Standard網絡
中文名：DES 算法，數據加密標準ide

是迄今爲止世界上最爲普遍使用和流行的一種分組密碼算法。（聽到這裏有沒有感受有點東西）函數

一、參數介紹：

data（加解密的數據）：64bit的明文或者密文須要被加密或被解密的數據加密
key（加解密的密鑰）：8Byte，64bit密鑰（56bit密鑰+8bit奇偶校驗位）
mode（工做模式）：加密或者解密的工做流程

二、工做流程：

三、初始IP置換：

DES算法使用64位的密鑰key將64位的明文輸入塊變爲64位的密文輸出塊，並把輸出塊分爲L0、R0兩部分，每部分均爲32位。左部分Li=Ri-1,右部分Ri=Li-1⊕F(Ri-1,Ki)（注：這裏的⊕指二元域上的加法，即異或），初始置換規則以下：

1  58,50,42,34,26,18,10,02,
2  60,52,44,36,28,20,12,04,
3  62,54,46,38,30,22,14,06,
4  64,56,48,40,32,24,16,08,
5  57,49,41,33,25,17,09,01,
6  59,51,43,35,27,19,11,03,
7  61,53,45,37,29,21,13,05,
8  63,55,47,39,31,23,15,07,

即將輸入的64位明文的第1位置換到第40位，第2位置換到第8位，第3位置換到第48位。以此類推，最後一位是原來的第7位。置換規則是規定的。L0是置換後的數據的前32位（D1-D32），R0是置換後的數據的後32位（D33-D64）。

四、輪結構：

F函數是DES的加密核心，做用也是很是大的，而Feistel結構決定了其加密解密流程是相同的，不管是硬件實現仍是軟件實現都只須要一種結構，不須要分別實現。

函數F由四步運算構成：密鑰置換；擴展E變換；S-盒代替；P-盒置換。

(1)、密鑰置換------子密鑰生成

DES算法由64位密鑰產生16輪的48位子密鑰。在每一輪的迭代過程當中，使用不一樣的子密鑰。

a、把密鑰的奇偶校驗位忽略不參與計算，即每一個字節的第8位，將64位密鑰降至56位，而後根據選擇置換PC-1將這56位分紅兩塊C0(28位)和D0(28位)；
b、將C0和D0進行循環左移變化(注：每輪循環左移的位數由輪數決定)，變換後生成C1和D1，而後C1和D1合併，並經過選擇置換PC-2生成子密鑰K1(48位)；
c、C1和D1在次通過循環左移變換，生成C2和D2，而後C2和D2合併，經過選擇置換PC-2生成密鑰K2(48位)；
d、以此類推，獲得K16(48位)。可是最後一輪的左右兩部分不交換，而是直接合並在一塊兒R16L16，做爲逆置換的輸入塊。其中循環左移的位數一共是循環左移16次，其中第一次、第二次、第九次、第十六次是循環左移一位，其餘都是左移兩位。

(2）、擴展E變換

擴展E變換是將數據的右半部分Ri從32位擴展到48位。

擴展置換的目的：

a、產生與密鑰相同長度的數據以進行異或運算，R0是32位，子密鑰是48位，因此R0要先進行擴展置換以後與子密鑰進行異或運算；
b、提供更長的結果，使得在替代運算時可以進行壓縮。

擴展置換E規則以下：

1  32,01,02,03,04,05,
2  04,05,06,07,08,09,
3  08,09,10,11,12,13,
4  12,13,14,15,16,17,
5  16,17,18,19,20,21,
6  20,21,22,23,24,25,
7  24,25,26,27,28,29,
8  28,29,30,31,32,31,

也就是說，表中的第i個數據j表示輸出的第i位爲輸入的第j位。例如；輸出的第1位是輸入的第32位，輸出的第7位爲輸入的第4位。

（3）、S-盒

S-盒做爲feistel結構的核心，起着相當重要的做用。輸入的32bit數據經擴展置換以後與48bit子密鑰Kn異或，生成的結果做爲輸入，傳入S盒中進行代替運算。S-盒功能是把48位數據變爲32位數據，feistel結構中是由8個不一樣的S盒共同協做完成。其中，每一個S-盒有6位輸入，4位輸出。因此48位的輸入塊被分紅8個6位的分組，每個分組對應一個S-盒代替操做。通過S-盒代替，造成8個4位分組結果。

注：每個S-盒的輸入數據是6位，輸出數據是4位，可是每一個S-盒自身是64位！！

S-盒1：

14,4,13,1,2,15,11,8,3,10,6,12,5,9,0,7,
0,15,7,4,14,2,13,1,10,6,12,11,9,5,3,8,
4,1,14,8,13,6,2,11,15,12,9,7,3,10,5,0,
15,12,8,2,4,9,1,7,5,11,3,14,10,0,6,13,

S-盒2：

15,1,8,14,6,11,3,4,9,7,2,13,12,0,5,10,
3,13,4,7,15,2,8,14,12,0,1,10,6,9,11,5,
0,14,7,11,10,4,13,1,5,8,12,6,9,3,2,15,
13,8,10,1,3,15,4,2,11,6,7,12,0,5,14,9,

S-盒3：

10,0,9,14,6,3,15,5,1,13,12,7,11,4,2,8,
13,7,0,9,3,4,6,10,2,8,5,14,12,11,15,1,
13,6,4,9,8,15,3,0,11,1,2,12,5,10,14,7,
1,10,13,0,6,9,8,7,4,15,14,3,11,5,2,12,

S-盒4：

7,13,14,3,0,6,9,10,1,2,8,5,11,12,4,15,
13,8,11,5,6,15,0,3,4,7,2,12,1,10,14,9,
10,6,9,0,12,11,7,13,15,1,3,14,5,2,8,4,
3,15,0,6,10,1,13,8,9,4,5,11,12,7,2,14,

S-盒5：

2,12,4,1,7,10,11,6,8,5,3,15,13,0,14,9,
14,11,2,12,4,7,13,1,5,0,15,10,3,9,8,6,
4,2,1,11,10,13,7,8,15,9,12,5,6,3,0,14,
11,8,12,7,1,14,2,13,6,15,0,9,10,4,5,3,

S-盒6：

12,1,10,15,9,2,6,8,0,13,3,4,14,7,5,11,
10,15,4,2,7,12,9,5,6,1,13,14,0,11,3,8,
9,14,15,5,2,8,12,3,7,0,4,10,1,13,11,6,
4,3,2,12,9,5,15,10,11,14,1,7,6,0,8,13,

S-盒7：

4,11,2,14,15,0,8,13,3,12,9,7,5,10,6,1,
13,0,11,7,4,9,1,10,14,3,5,12,2,15,8,6,
1,4,11,13,12,3,7,14,10,15,6,8,0,5,9,2,
6,11,13,8,1,4,10,7,9,5,0,15,14,2,3,12,

S-盒8：

13,2,8,4,6,15,11,1,10,9,3,14,5,0,12,7,
1,15,13,8,10,3,7,4,12,5,6,11,0,14,9,2,
7,11,4,1,9,12,14,2,0,6,10,13,15,3,5,8,
2,1,14,7,4,10,8,13,15,12,9,0,3,5,6,11,

S盒的計算：第一位和第六位肯定行數，第2、3、四行肯定列數，在表中找出對應的數據，將其表示爲二進制數據。

（4）、P-盒

在S-盒代替運算中，每個S-盒獲得4位，8盒共獲得32bit輸出數據。這32位輸出做爲P盒置換的輸入塊，最終輸出爲32bit的輸出數據。P盒置換將每一位輸入位映射到輸出位。任何一位都不能被映射兩次，也不能被略去。

五、逆置換：

將初始置換進行16次的迭代，即進行16層的加密變換，這個運算過程咱們暫時稱爲函數f。獲得L16和R16，將此做爲輸入塊，進行逆置換獲得最終的密文輸出塊。逆置換是初始置換的逆運算。從初始置換規則中能夠看到，原始數據的第1位置換到了第40位，第2位置換到了第8位。則逆置換就是將第40位置換到第1位，第8位置換到第2位。以此類推，逆置換規則以下：

1  40,08,48,16,56,24,64,32,39,07,47,15,55,23,63,31,
2  38,06,46,14,54,22,62,30,37,05,45,13,53,21,61,29,
3  36,04,44,12,52,20,60,28,35,03,43,11,51,19,59,27,
4  34,02,42,10,50,18,58 26,33,01,41,09,49,17,57,25,

注：DES算法的加密密鑰是根據用戶輸入的祕鑰生成的,該算法把64位密碼中的第8位、第16位、第24位、第32位、第40位、第48位、第56位、第64位做爲奇偶校驗位,在計算密鑰時要忽略這8位.因此實際中使用的祕鑰有效位是56位。

祕鑰共64位，每次置換都不考慮每字節的第8個比特位，這一位是在密鑰產生過程當中生成的奇偶校驗位，因此64位祕鑰的第八、1六、2四、3二、40、4八、5六、64位在計算祕鑰時均忽略。

六、解密過程：

DES的解密過程和DES的加密過程基本相似，惟一的不一樣是將16輪的子密鑰序列的順序反過來，即在加密過程當中所用的加密密鑰k1，...，k16在解密過程當中須要轉換成k16，...，k1。

七、DES算法整理：

分組加密算法：以64bit爲分組。輸入64bit明文，輸出64bit密文。
對稱算法：加密和解密使用同一祕鑰。
有效祕鑰長度：56bit祕鑰，一般表示爲64位數，但每一個第8位用做奇偶校驗，能夠忽略。
代替和置換：DES算法是兩種加密技術的組合：混亂和擴散。
易於實現：DES算法只是使用了標準的算術和邏輯運算，其做用的數最多也只有64 位，所以用70年代末期的硬件技術很容易實現算法的重複特性使得它能夠很是理想地用在一個專用芯片中。