聊聊密碼學(xué)中的DES算法

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沒(méi)有什么比你每天進(jìn)步一點(diǎn)點(diǎn)更實(shí)在了

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 今天要說(shuō)點(diǎn)和你的隱私有關(guān)的事情，在這個(gè)信息化的時(shí)代，是不是真的有人一手握著你的信息，一手?jǐn)?shù)著鈔票呢？答案一定是當(dāng)然。

 說(shuō)到網(wǎng)絡(luò)安全，我就不得不提一個(gè)東西——<font face="宋體" color=blue size=4>密碼學(xué)</font>（是不是聽(tīng)起來(lái)頭皮發(fā)麻心跳加速），穩(wěn)住穩(wěn)住，老司機(jī)上線帶你學(xué)。今天給大家say&see什么是密碼學(xué)中的<font face="宋體" color=orange size=4>DES</font>。

簡(jiǎn)介

 DES：

• English Name：Data Encrytion Standard

• 中文名：DES 算法，數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)

  是迄今為止世界上最為廣泛使用和流行的一種分組密碼算法。（聽(tīng)到這里有沒(méi)有感覺(jué)有點(diǎn)東西）

1、參數(shù)介紹：

• data（加解密的數(shù)據(jù)）：64bit的明文或者密文需要被加密或被解密的數(shù)據(jù)

• key（加解密的密鑰）：8Byte，64bit密鑰（56bit密鑰+8bit奇偶校驗(yàn)位）

• mode（工作模式）：加密或者解密的工作流程

2、工作流程：

3、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?yōu)?4位的密文輸出塊，并把輸出塊分為L(zhǎng)0、R0兩部分，每部分均為32位。左部分Li=Ri-1,右部分Ri=Li-1⊕F(Ri-1,Ki)<font face="宋體" color=orange size=4>（注：這里的⊕指二元域上的加法，即異或）</font>，初始置換規(guī)則如下：

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(lèi)推，最后一位是原來(lái)的第7位。置換規(guī)則是規(guī)定的。L0是置換后的數(shù)據(jù)的前32位（D1-D32），R0是置換后的數(shù)據(jù)的后32位（D33-D64）。

4、輪結(jié)構(gòu)：

 F函數(shù)是DES的加密核心，作用也是非常大的，而Feistel結(jié)構(gòu)決定了其加密解密流程是相同的，無(wú)論是硬件實(shí)現(xiàn)還是軟件實(shí)現(xiàn)都只需要一種結(jié)構(gòu)，不需要分別實(shí)現(xiàn)。

 函數(shù)F由四步運(yùn)算構(gòu)成：密鑰置換；擴(kuò)展E變換；S-盒代替；P-盒置換。

 DES算法由64位密鑰產(chǎn)生16輪的48位子密鑰。在每一輪的迭代過(guò)程中，使用不同的子密鑰。

• a、把密鑰的奇偶校驗(yàn)位忽略不參與計(jì)算，即每個(gè)字節(jié)的第8位，將64位密鑰降至56位，然后根據(jù)選擇置換PC-1將這56位分成兩塊C0(28位)和D0(28位)；

• b、將C0和D0進(jìn)行循環(huán)左移變化<font face="宋體" color=orange size=4>(注：每輪循環(huán)左移的位數(shù)由輪數(shù)決定)</font>，變換后生成C1和D1，然后C1和D1合并，并通過(guò)選擇置換PC-2生成子密鑰K1(48位)；

• c、C1和D1在次經(jīng)過(guò)循環(huán)左移變換，生成C2和D2，然后C2和D2合并，通過(guò)選擇置換PC-2生成密鑰K2(48位)；

• d、以此類(lèi)推，得到K16(48位)。但是最后一輪的左右兩部分不交換，而是直接合并在一起R16L16，作為逆置換的輸入塊。其中循環(huán)左移的位數(shù)一共是循環(huán)左移16次，其中第一次、第二次、第九次、第十六次是循環(huán)左移一位，其他都是左移兩位。

擴(kuò)展E變換是將數(shù)據(jù)的右半部分Ri從32位擴(kuò)展到48位。

擴(kuò)展置換的目的：

• a、產(chǎn)生與密鑰相同長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)以進(jìn)行異或運(yùn)算，R0是32位，子密鑰是48位，所以R0要先進(jìn)行擴(kuò)展置換之后與子密鑰進(jìn)行異或運(yùn)算；

• b、提供更長(zhǎng)的結(jié)果，使得在替代運(yùn)算時(shí)能夠進(jìn)行壓縮。

擴(kuò)展置換E規(guī)則如下：

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(shuō)，表中的第i個(gè)數(shù)據(jù)j表示輸出的第i位為輸入的第j位。例如；輸出的第1位是輸入的第32位，輸出的第7位為輸入的第4位。

 S-盒作為feistel結(jié)構(gòu)的<font face="宋體" color=orange size=4>核心</font>，起著至關(guān)重要的作用。輸入的32bit數(shù)據(jù)經(jīng)擴(kuò)展置換之后與48bit子密鑰Kn異或，生成的結(jié)果作為輸入，傳入S盒中進(jìn)行代替運(yùn)算。S-盒功能是把48位數(shù)據(jù)變?yōu)?2位數(shù)據(jù)，feistel結(jié)構(gòu)中是由8個(gè)不同的S盒共同協(xié)作完成。其中，每個(gè)S-盒有6位輸入，4位輸出。所以48位的輸入塊被分成8個(gè)6位的分組，每一個(gè)分組對(duì)應(yīng)一個(gè)S-盒代替操作。經(jīng)過(guò)S-盒代替，形成8個(gè)4位分組結(jié)果。

<font face="宋體" color=orange size=4>注：每一個(gè)S-盒的輸入數(shù)據(jù)是6位，輸出數(shù)據(jù)是4位，但是每個(gè)S-盒自身是64位！！</font>

 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(jì)算：第一位和第六位確定行數(shù)，第二、三、四行確定列數(shù)，在表中找出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，將其表示為二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

 在S-盒代替運(yùn)算中，每一個(gè)S-盒得到4位，8盒共得到32bit輸出數(shù)據(jù)。這32位輸出作為P盒置換的輸入塊，最終輸出為32bit的輸出數(shù)據(jù)。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。

5、逆置換：

 將初始置換進(jìn)行16次的迭代，即進(jìn)行16層的加密變換，這個(gè)運(yùn)算過(guò)程我們暫時(shí)稱(chēng)為函數(shù)f。得到L16和R16，將此作為輸入塊，進(jìn)行逆置換得到最終的密文輸出塊。逆置換是初始置換的逆運(yùn)算。從初始置換規(guī)則中可以看到，原始數(shù)據(jù)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(lèi)推，逆置換規(guī)則如下：

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(jù)用戶輸入的秘鑰生成的,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位作為奇偶校驗(yàn)位,在計(jì)算密鑰時(shí)要忽略這8位.所以實(shí)際中使用的秘鑰有效位是56位。

 秘鑰共64位，每次置換都不考慮每字節(jié)的第8個(gè)比特位，這一位是在密鑰產(chǎn)生過(guò)程中生成的奇偶校驗(yàn)位，所以64位秘鑰的第8、16、24、32、40、48、56、64位在計(jì)算秘鑰時(shí)均忽略。

6、解密過(guò)程：

 DES的解密過(guò)程和DES的加密過(guò)程基本類(lèi)似，唯一的不同是將16輪的子密鑰序列的順序反過(guò)來(lái)，即在加密過(guò)程中所用的加密密鑰k1，...，k16在解密過(guò)程中需要轉(zhuǎn)換成k16，...，k1。

7、DES算法整理：

• 分組加密算法：以64bit為分組。輸入64bit明文，輸出64bit密文。
• 對(duì)稱(chēng)算法：加密和解密使用同一秘鑰。
• 有效秘鑰長(zhǎng)度：56bit秘鑰，通常表示為64位數(shù)，但每個(gè)第8位用作奇偶校驗(yàn)，可以忽略。
• 代替和置換：DES算法是兩種加密技術(shù)的組合：混亂和擴(kuò)散。
• 易于實(shí)現(xiàn)：DES算法只是使用了標(biāo)準(zhǔn)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算，其作用的數(shù)最多也只有64 位，因此用70年代末期的硬件技術(shù)很容易實(shí)現(xiàn)算法的重復(fù)特性使得它可以非常理想地用在一個(gè)專(zhuān)用芯片中。

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