DES分组加解密

分组密码概述

      分组密码是对称密码的一种，是最常用的加密手段，也是密码学极其重要的应用。所谓对称密码，即是加密和解密使用同一密钥或加密和解密的密钥之间存在简单的、容易计算的互推关系。

      分组密码的工作方式是，首先将明文分成长度固定的组，如64比特或128比特为一组，并对不足64比特或128比特的尾组用适当的方式进行填充，将其扩充为一个整组后进行加密。然后用同一密钥和算法对每一组分别加密，输出固定长度的密文。

      分组密码的安全性要求在不知道密钥k的情况下，即使能得到全部密文，并且知道加密函数的全部计算细节，也无法得到相应的明文。例如，对于64比特分组，对之进行穷举的数据量为2的64次方，这是一个2-位的十进制数，即使用每秒运算万亿次以上的巨型计算机进行攻击，平均穷举时间也需要数年。当然这仅是理论数据，在攻击密码时还有其他约束条件，如文字、数据、规律等信息，所以实际需要的攻击时间要短得多。

 

 

DES简介

    DES是Data Encryption Standard的缩写，是美国国家标准局于1977年公布的由IBM公司研制的加密算法。DES加密算法广泛应用于电子商务领域，如POS,ATM,磁卡及智能卡等应用。

 

DES加密算法

    DES算法中数据以64比特分组进行加密，密钥长度也为64比特，其中有效密钥长度为56位。它的加密算法与解密算法相同，只是解密子密钥与加密子密钥的使用顺序刚好相反。

 

子密钥的产生 和 对明文的加密。

子密钥的产生

    DES的密钥长度为64位，而实际有效密钥为56比特。对于输入的56比特密钥，每7位扩充1位奇偶校验位，使得8位构成的字节中1的个数为奇数，从而得到64位密钥

子密钥，子密钥的生成步骤如下：

 

    第一步，输入64位密钥 K=(x₁x₂x₃……x₆₄),将密钥K按PC-1表置换，得到56位二进制：(x₅₇x₄₉……x₄),然后将这56位从中间分成2分，得到两个28位二进制：C₀=(x₅₇x₄₉……x₃₆),D₀=(x₆₃,x₅₅……x₄)。

 

PC-1表

（第二步到第三步是一次循环，输入C_i-1和D_i-1，得到k_i，输入从C₀、D₀开始。共16轮。以下以第一轮为例） 

第二步，将C₀和D₀分别左循环移位<<（移位的位数查LS表），得到C₁和D₁；

LS表

第三部，将C₁，D₁连接得到56位二进制C₁D₁=b₁b₂……b₅₆，将C1D1按照PC-2表进行置换得到第1个48位子密钥k1=b₁₄b₁₇……b₃₂; 

PC-2表

第四步，将第三部得到的C_i和D_i做为入参，循环执行第二第三步16轮，得到16个子密钥k₁~k₁₆。 

 

 

对明文的加密

将明文数据以64位分组，每次对64比特进行加密。具体加密步骤如下：

 

第一步，对64比特数据按下表进行初始置换；

（第三步到第六步为一个循环，输入R_i-1、L_i-1，输出R_i、L_i。共执行16轮，每轮对应一个子密钥。以下以第一轮为例）第二步，将置换后的64比特从中间分成2个32位，得到L₀和R₀，分别是L₀=D₅₈D₅₀...D₈；R₀=D₅₇D₄₉...D₇。

第三步，将R₀按照下表进行扩展E变换，从32位扩展到48位得到E₁=x₃₂x₁x₂…x₃₂x₁。

扩展E变换表

第五步，S盒。第四步，将扩展得到的E1和第一个子密钥k1进行模加（异或运算）。

设第四步模加结果为M₁=m₁m₂m₃…m₄₈。将48比特分为8组6比特分组，每一组分别代入相应的S盒，得到4比特的结果值。S盒的计算是这样的：如果用m₁m₂m₃m₄m₅m₆表示第一组输入，S盒表中的行索引是m₁m₆组成的二进制数，列索引是m₂m₃m₄m₅组成的二进制,结果是该格的值。

将8组4进制的结果值连接起来，得到32比特。

 

S盒（8组）

S1:	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
0	14	4	13	1	2	15	11	8	3	10	6	12	5	9	0	7
1	0	15	7	4	14	2	13	1	10	6	12	11	9	5	3	8
2	4	1	14	8	13	6	2	11	15	12	9	7	3	10	5	0
3	15	12	8	2	4	9	1	7	5	11	3	14	10	0	6	13
S2:	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
0	15	1	8	14	6	11	3	4	9	7	2	13	12	0	5	10
1	3	13	4	7	15	2	8	14	12	0	1	10	6	9	11	5
2	0	14	7	11	10	4	13	1	5	8	12	6	9	3	2	15
3	13	8	10	1	3	15	4	2	11	6	7	12	0	5	14	9
S3:	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
0	10	0	9	14	6	3	15	5	1	13	12	7	11	4	2	8
1	13	7	0	9	3	4	6	10	2	8	5	14	12	11	15	1
2	13	6	4	9	8	15	3	0	11	1	2	12	5	10	14	7
3	1	10	13	0	6	9	8	7	4	15	14	3	11	5	2	12
S4:	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
0	7	13	14	3	0	6	9	10	1	2	8	5	11	12	4	15
1	13	8	11	5	6	15	0	3	4	7	2	12	1	10	14	9
2	10	6	9	0	12	11	7	13	15	1	3	14	5	2	8	4
3	3	15	0	6	10	1	13	8	9	4	5	11	12	7	2	14
S5:	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
0	2	12	4	1	7	10	11	6	8	5	3	15	13	0	14	9
1	14	11	2	12	4	7	13	1	5	0	15	10	3	9	8	6
2	4	2	1	11	10	13	7	8	15	9	12	5	6	3	0	14
3	11	8	12	7	1	14	2	13	6	15	0	9	10	4	5	3
S6:	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
0	12	1	10	15	9	2	6	8	0	13	3	4	14	7	5	11
1	10	15	4	2	7	12	9	5	6	1	13	14	0	11	3	8
2	9	14	15	5	2	8	12	3	7	0	4	10	1	13	11	6
3	4	3	2	12	9	5	15	10	11	14	1	7	6	0	8	13
S7:	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
0	4	11	2	14	15	0	8	13	3	12	9	7	5	10	6	1
1	13	0	11	7	4	9	1	10	14	3	5	12	2	15	8	6
2	1	4	11	13	12	3	7	14	10	15	6	8	0	5	9	2
3	6	11	13	8	1	4	10	7	9	5	0	15	14	2	3	12
S8:	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
0	13	2	8	4	6	15	11	1	10	9	3	14	5	0	12	7
1	1	15	13	8	10	3	7	4	12	5	6	11	0	14	9	2
2	7	11	4	1	9	12	14	2	0	6	10	13	15	3	5	8
3	2	1	14	7	4	10	8	13	15	12	9	0	3	5	6	11

 

 

第五步，P盒置换。将S盒的32比特结果代入P盒置换表。

第六步，将P盒结果与L₀模加，作为R₁。将R₀作为L₁。

第七步，将L₁、R₁作为入参，代入第三步，循环16轮，得到L₁₆和R₁₆。

第八步，将R₁₆L₁₆组成的64比特代入IP逆置换表，置换后就是64比特的密文了。

以上8步,将64比特明文转换为64比特密文。最后将各组64比特密文连接起来得到最终密文。 

 

 

 

DES解密算法

DES的解密过程和加密过程完全类似，只是将16轮的子密钥序列k₁,k₂…k₁₆顺序反过来。即第一轮用k₁₆，最后一轮用k₁。

 

三重DES的变形

DES的密钥长度为64比特，但实际上只有56比特可用，普遍认为这样的密钥长度太短。

1999年，美国电子边境基金会EFF只用22小时15分钟就破译了DES。随着计算能力增强，必须相应增加算法的密钥长度。

为了继续使用DES，可以采用DES的变形：三重DES。

三重DES中，使用两个64位密钥：K₁、K₂，使有效密钥长度增加到112位，大大增强了安全性。

设P为明文，C为密文，k₁k₂分别为密钥，E为加密过程，D为解密过程，

• 3DES加密过程为：C=Ek₁(Dk₂(Ek₁(P)))
• 3DES解密过程为：P=Dk₁(EK₂(Dk₁(C)))

加密时先对明文用K₁加密，结果用K₂解密，再对解密结果用K₁加密。

解密过程相反。

如果令K₁=K₂，则可以前向兼容1重DES。