DES算法原理完整版

1.所需參數

key：8個字節共64位的工做密鑰

data：8個字節共64位的須要被加密或被解密的數據　　

mode：DES工做方式，加密或者解密

2.初始置換

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。初始置換規則以下：

注意：這裏的數字表示的是原數據的位置，不是數據

1 58,50,42,34,26,18,10,2,
2 60,52,44,36,28,20,12,4,
3 62,54,46,38,30,22,14,6,
4 64,56,48,40,32,24,16,8,
5 57,49,41,33,25,17, 9,1,
6 59,51,43,35,27,19,11,3,
7 61,53,45,37,29,21,13,5,
8 63,55,47,39,31,23,15,7,

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(Left)是置換後的數據的前32位，R0(Right)是置換後的數據的後32位。
例如：64位輸入塊是D1~D64，則通過初始置換後是D58，D50...D7。則L0=D58,D50,D12...D8；R0=D57,D49,D41...D7。

該置換過程是在64位祕鑰的控制下。

3.加密處理--迭代過程

通過初始置換後，進行16輪徹底相同的運算，在運算過程當中數據與祕鑰結合。

函數f的輸出通過一個異或運算，和左半部分結合造成新的右半部分，原來的右半部分紅爲新的左半部分。每輪迭代的過程能夠表示以下：

Ln = R(n - 1)；

Rn = L(n - 1)⊕f(Rn-1,kn-1)

⊕:異或運算

Kn是向第N層輸入的48位的祕鑰，f是以Rn-1和Kn爲變量的輸出32位的函數

3.1函數f

函數f由四步運算構成：祕鑰置換(Kn的生成，n=0~16)；擴展置換；S-盒代替；P-盒置換。

3.1.1 祕鑰置換--子密鑰生成

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

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。

3.1.2 密鑰置換選擇1---PC-1(子祕鑰的生成)

操做對象是64位祕鑰

64位祕鑰降至56位祕鑰不是說將每一個字節的第八位刪除，而是經過縮小選擇換位表1（置換選擇表1）的變換變成56位。以下：

注意：這裏的數字表示的是原數據的位置，不是數據

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

再講56位祕鑰分紅C0和D0：

　　C0(28位)=K57K49K41...K44K36

1 57,49,41,33,25,17,9,
2 1,58,50,42,34,26,18,
3 10,2,59,51,43,35,27,
4 19,11,3,60,52,44,36,

　　D0(28位)=K63K55K47...K12K4

1 63,55,47,39,31,23,15,
2 7,62,54,46,38,30,22,
3 14,6,61,53,45,37,29,
4 21,13,5,28,20,12,4

根據輪數，將Cn和Dn分別循環左移1位或2位

循環左移每輪移動的位數以下：

第一輪是循環左移1位。C0循環左移1位後獲得C1以下：

1 49,41,33,25,17,9,1,
2 58,50,42,34,26,18,10,
3 2,59,51,43,35,27,19,
4 11,3,60,52,44,36,57

D0循環左移1位後獲得D1以下：

1 55,47,39,31,23,15,7,
2 62,54,46,38,30,22,14,
3 6,61,53,45,37,29,21,
4 13,5,28,20,12,4,63

C1和D1合併以後，再通過置換選擇表2生成48位的子祕鑰K1。置換選擇表2(PC-2)以下：

 去掉第九、1八、2二、2五、3五、3八、4三、54位，從56位變成48位，再按表的位置置換。

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

C1和D1再次通過循環左移變換，生成C2和D2，C2和D2合併，經過PC-2生成子祕鑰K2。
以此類推，獲得子祕鑰K1~K16。須要注意其中循環左移的位數。

3.1.2 擴展置換E(E位選擇表)

經過擴展置換E，數據的右半部分Rn從32位擴展到48位。擴展置換改變了位的次序，重複了某些位。

擴展置換的目的：a、產生與祕鑰相同長度的數據以進行異或運算，R0是32位，子祕鑰是48位，因此R0要先進行擴展置換以後與子祕鑰進行異或運算；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 32,1,2,3,4,5,
2 4,5,6,7,8,9,
3 8,9,10,11,12,13,
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 28,29,30,31,32,1

3.1.3 S-盒代替(功能表S盒)
Rn擴展置換以後與子祕鑰Kn異或之後的結果做爲輸入塊進行S盒代替運算
功能是把48位數據變爲32位數據

代替運算由8個不一樣的代替盒(S盒)完成。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。

注意：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！！
每一個S-和是4行16列的格式，由於二進制4位是0~15。8個S-盒的值以下：

S-盒1：

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

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

S-盒4：

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

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

S-盒7：

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

S-盒8：

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

S-盒計算過程

假設S-盒8的輸入(即異或函數的第43~18位)爲110011。

第1位和最後一位組合造成了11(二進制)，對應S-盒8的第3行。中間的4位組成造成1001(二進制),對應S-盒8的第9列。因此對應S-盒8第3行第9列值是12。則S-盒輸出是1100(二進制)。

3.1.4 P-盒置換

S-盒代替運算，每一盒獲得4位，8盒共獲得32位輸出。這32位輸出做爲P盒置換的輸入塊。

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。

通過P-盒置換的結果與最初64位分組的左半部分異或，而後左右兩部分交換，開始下一輪迭代。

P-盒置換表(表示數據的位置)共32位

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

將32位的輸入的第16位放在第一位，第七位放在第二位，第二十位放在第三位，以此類推。

4.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 40,8,48,16,56,24,64,32,39,7,47,15,55,23,63,31,
2 38,6,46,14,54,22,62,30,37,5,45,13,53,21,61,29,
3 36,4,44,12,52,20,60,28,35,3,43,11,51,19,59,27,
4 34,2,42,10,50,18,58 26,33,1,41, 9,49,17,57,25,

注意：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。詳情計算看本文的3.1.2祕鑰置換選擇。

祕鑰共64位，每次置換都不考慮每字節的第8位，由於這一位是奇偶校驗位，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。

4.DES算法描述

 

1)、輸入64位明文數據，並進行初始置換IP；
2)、在初始置換IP後，明文數據再被分爲左右兩部分，每部分32位，以L0，R0表示；
3)、在祕鑰的控制下，通過16輪運算(f)；
4)、16輪後，左、右兩部分交換，並鏈接再一塊兒，再進行逆置換；
5)、輸出64位密文。

 

5.DES解密

 

 

　　加密和解密可使用相同的算法。加密和解密惟一不一樣的是祕鑰的次序是相反的。就是說若是每一輪的加密祕鑰分別是K一、K二、K3...K16，那麼解密祕鑰就是K1六、K1五、K14...K1。爲每一輪產生祕鑰的算法也是循環的。加密是祕鑰循環左移，解密是祕鑰循環右移。解密祕鑰每次移動的位數是：0、一、二、二、二、二、二、二、一、二、二、二、二、二、二、1。
6.DES算法特色

1、分組加密算法：以64位爲分組。64位明文輸入，64位密文輸出。
2、對稱算法：加密和解密使用同一祕鑰
3、有效祕鑰長度:爲56位祕鑰一般表示爲64位數，但每一個第8位用做奇偶校驗，能夠忽略。
4、代替和置換:DES算法是兩種加密技術的組合：混亂和擴散。先替代後置換。
5、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。

7 祕鑰算法的特色

優勢：

效率高，算法簡單，系統開銷小

適合加密大量數據

明文長度和密文長度相等

缺點：

須要以安全方式進行祕鑰交換

祕鑰管理複雜