DES加密算法原理

一、DES算法：

1、DES算法简介：

DES算法为密码体制中的对称密码体制。需要加密的明文按64位进行分组，加密密钥是根据用户输入的秘钥生成的，密钥长64位，但密钥事实上是56位参与DES运算（第8、16、24、32、40、48、56、64位是校验位， 使得每个密钥都有奇数个1，在计算密钥时要忽略这8位），分组后的明文组和56位的密钥按位替代或交换的方法形成密文组的加密方法。详情计算看本文的2.1.1秘钥置换选择。

算法的入口参数有三个：key、data、mode。

key：加密解密使用的密钥，8个字节共64位的工作密钥；

data：8个字节共64位的需要被加密或被解密的数据；

mode：DES的工作模式，即加密或者解密。当模式为加密模式时，明文按照64位进行分组，形成明文组，key用于对数据加密，当模式为解密模式时，key用于对数据解密。

2、DES算法加密流程描述：

（1）输入64位明文数据，并进行初始置换IP；

（2）在初始置换IP后，明文数据再被分为左右两部分，每部分32位，以L0，R0表示；

（3）在秘钥的控制下，经过16轮运算(f)；

（4）16轮后，左、右两部分交换，并连接再一起，再进行逆置换；

（5）输出64位密文。

3、DES算法特点：

（1）分组加密算法：以64位为分组。64位明文输入，64位密文输出。

（2）对称算法：加密和解密使用同一秘钥。

（3）有效秘钥长度为56位：秘钥通常表示为64位数，但每个第8位用作奇偶校验，可以忽略。

（4）代替和置换：DES算法是两种加密技术的组合：混乱和扩散。先替代后置换。

（5）易于实现：DES算法只是使用了标准的算术和逻辑运算，其作用的数最多也只有64 位，因此用70年代末期的硬件技术很容易实现，算法的重复特性使得它可以非常理想地用在一个专用芯片中。

4、秘钥算法的优缺点：

（1）优点：

效率高，算法简单，系统开销小；

适合加密大量数据；

明文长度和密文长度相等；

（2）缺点：

需要以安全方式进行秘钥交换；

秘钥管理复杂；

二、主要流程：

1、初始置换：

DES算法使用64位的密钥key将64位的明文输入块变为64位的密文输出块，并把输出块分为L0、R0两部分，每部分均为32位。初始置换规则如下（注意：这里的数字表示的是原数据的位置，不是数据）

58,50,42,34,26,18,10,2,

60,52,44,36,28,20,12,4,

62,54,46,38,30,22,14,6,

64,56,48,40,32,24,16,8,

57,49,41,33,25,17, 9,1,

59,51,43,35,27,19,11,3,

61,53,45,37,29,21,13,5,

63,55,47,39,31,23,15,7,

即将输入的64位明文的第1位置换到第40位，第2位置换到第8位，第3位置换到第48位。以此类推，最后一位是原来的第7位。置换规则是规定的。L0(Left)是置换后的数据的前32位，R0(Right)是置换后的数据的后32位。

例如：64位输入块是D1~D64，则经过初始置换后是D58，D50...D7。则L0=D58,D50,D12...D8；R0=D57,D49,D41...D7。

该置换过程是在64位秘钥的控制下。

2、加密处理--16轮迭代过程：

经过初始置换后，进行16轮完全相同的运算，在运算过程总数据与密钥结合。函数f的输出经过一个异或运算，和左半部分结合形成新的右半部分，原来的右半部分成为新的左半部分。每轮迭代的过程可以表示如下：

Ln = R(n - 1)；

Rn = L(n - 1)⊕f(Rn-1,kn-1)

⊕:异或运算

Kn是向第N层输入的48位的秘钥，f是以Rn-1和Kn为变量的输出32位的函数

函数f由四步运算构成：秘钥置换(Kn的生成，n=0~16)；扩展置换；S-盒代替；P-盒置换。

2.1 秘钥置换--子密钥生成：

DES算法由64位秘钥产生16轮的48位子秘钥。在每一轮的迭代过程中，使用不同的子秘钥。

（1）把密钥的奇偶校验位忽略不参与计算（即每个字节的第8位），将64位密钥降至56位，然后根据选 择置换PC-1 将这56位分成两块C0(28位)和D0(28位)；

（2）将C0和D0进行循环左移变化（每轮循环左移的位数由轮数决定），变换后生成C1和D1，然后C1和D1合并，并通过 选择置换PC-2 生成子密钥K1(48位)；

（3）C1和D1再次经过循环左移变换，生成C2和D2，然后C2和D2合并，通过 选择置换PC-2 生成密钥K2(48位)；

（4）以此类推，得到K16(48位)。但是最后一轮的左右两部分不交换，而是直接合并在一起R16L16，作为逆置换的输入块。其中循环左移的位数一共是循环左移16次，其中第一次、第二次、第九次、第十六次是循环左移一位，其他都是左移两位。

2.1.1密钥置换选择1--PC-1(子秘钥的生成)：

（1）该步骤操作对象是64位密钥，64位秘钥降至56位秘钥，不是说将每个字节的第八位删除，而是通过缩小选择换位表1（置换选择表1）的变换变成56位。如下（这里的数字表示的是原数据的位置，不是数据）：

57,49,41,33,25,17,9,1,

58,50,42,34,26,18,10,2,

59,51,43,35,27,19,11,3,

60,52,44,36,63,55,47,39,

31,23,15,7,62,54,46,38,

30,22,14,6,61,53,45,37,

29,21,13,5,28,20,12,4

（2）再讲56位秘钥分成C0和D0：

C0(28位)=K57K49K41...K44K36

57,49,41,33,25,17,9,

1,58,50,42,34,26,18,

10,2,59,51,43,35,27,

19,11,3,60,52,44,36,

D0(28位)=K63K55K47...K12K4

63,55,47,39,31,23,15,

7,62,54,46,38,30,22,

14,6,61,53,45,37,29,

21,13,5,28,20,12,4

2.1.2 根据轮数，将Cn和Dn分别循环左移1位或2位：

（1）循环左移每轮移动的位数如下：

第一轮是循环左移1位。C0循环左移1位后得到C1如下：

49,41,33,25,17,9,1,

58,50,42,34,26,18,10,

2,59,51,43,35,27,19,

11,3,60,52,44,36,57

D0循环左移1位后得到D1如下：

55,47,39,31,23,15,7,

62,54,46,38,30,22,14,

6,61,53,45,37,29,21,

13,5,28,20,12,4,63

（2）C1和D1合并之后，再经过 置换选择表2 生成48位的子秘钥K1。置换选择表2(PC-2)如下：

去掉第9、18、22、25、35、38、43、54位，从56位变成48位，再按表的位置置换。

14,17,11,24,1,5,

3,28,15,6,21,10,

23,19,12,4,26,8,

16,7,27,20,13,2,

41,52,31,37,47,55,

30,40,51,45,33,48,

44,49,39,56,34,53,

46,42,50,36,29,32

C1和D1再次经过循环左移变换，生成C2和D2，C2和D2合并，通过PC-2生成子秘钥K2。

以此类推，得到子秘钥K1~K16。需要注意其中循环左移的位数。

2.2扩展置换E（E位选择表）

通过扩展置换E，数据的右半部分Rn从32位扩展到48位。扩展置换改变了位的次序，重复了某些位。

扩展置换的目的：a、产生与秘钥相同长度的数据以进行异或运算，R0是32位，子秘钥是48位，所以R0要先进行扩展置换之后与子秘钥进行异或运算；b、提供更长的结果，使得在替代运算时能够进行压缩。

扩展置换E规则如下：

32,1,2,3,4,5,

4,5,6,7,8,9,

8,9,10,11,12,13,

12,13,14,15,16,17,

16,17,18,19,20,21,

20,21,22,23,24,25,

24,25,26,27,28,29,

28,29,30,31,32,1

2.3 S-盒代替（功能表S盒）

Rn扩展置换之后与子秘钥Kn异或以后的结果 作为输入块进行S盒代替运算，功能是把48位数据变为32位数据，代替运算由8个不同的代替盒(S盒)完成。每个S-盒有6位输入，4位输出。所以48位的输入块被分成8个6位的分组，每一个分组对应一个S-盒代替操作。经过S-盒代替，形成8个4位分组结果。

注意：每一个S-盒的输入数据是6位，输出数据是4位，但是每个S-盒自身是64位！！每个S-盒是4行16列的格式，因为二进制4位是0~15。8个S-盒的值如下：

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-盒计算过程：

以S-盒8为例子

假设S-盒8的输入(即异或函数的第43~18位)为110011。

第1位和最后一位组合形成了11(二进制)，对应S-盒8的第3行。中间的4位组成形成1001(二进制),对应S-盒8的第9列。所以对应S-盒8第3行第9列值是12。则S-盒输出是1100(二进制)。

2.4P-盒置换：

S-盒代替运算，每一盒得到4位，8盒共得到32位输出。这32位输出作为P盒置换的输入块。

P盒置换将每一位输入位映射到输出位。任何一位都不能被映射两次，也不能被略去。经过P-盒置换的结果与最初64位分组的左半部分异或，然后将值赋值给R(n+1)，R(n)则原封不动的赋给L(n+1)，开始下一轮迭代。

P-盒置换表(表示数据的位置)共32位：

16,7,20,21,29,12,28,17,1,15,23,26,5,18,31,10,

2,8,24,14,32,27,3,9,19,13,30,6,22,11,4,25,

将32位的输入的第16位放在第一位，第七位放在第二位，第二十位放在第三位，以此类推。最后生成L16和R16，其中R16为L15与P盒置换结果做异或运算的结果，L16是R15的直接赋值。

3、逆置换：

将初始置换进行16次的迭代，即进行16层的加密变换，这个运算过程我们暂时称为函数f。得到L16和R16，将此作为输入块，进行逆置换得到最终的密文输出块。逆置换是初始置换的逆运算。从初始置换规则中可以看到，原始数据的第1位置换到了第40位，第2位置换到了第8位。则逆置换就是将第40位置换到第1位，第8位置换到第2位。以此类推，逆置换规则如下：

40,8,48,16,56,24,64,32,39,7,47,15,55,23,63,31,

38,6,46,14,54,22,62,30,37,5,45,13,53,21,61,29,

36,4,44,12,52,20,60,28,35,3,43,11,51,19,59,27,

34,2,42,10,50,18,58 26,33,1,41, 9,49,17,57,25,

4、DES解密：

加密和解密可以使用相同的算法。加密和解密唯一不同的是秘钥的次序是相反的。就是说如果每一轮的加密秘钥分别是K1、K2、K3...K16，那么解密秘钥就是K16、K15、K14...K1。为每一轮产生秘钥的算法也是循环的。加密是秘钥循环左移，解密是秘钥循环右移。解密秘钥每次移动的位数是：0、1、2、2、2、2、2、2、1、2、2、2、2、2、2、1。