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DES加密算法｜密码学｜网络空间安全
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DES简介
数据加密标准（Data Encryption Standard，缩写为 DES）是一种对称密钥加密块密码算法，它基于使用56位密钥的对称算法。
然而DES现在已经不是一种安全的加密方法，主要因为它使用的56位密钥过短。
算法原理与流程
DES是一种分组加密算法，每次都处理固定的64位大小的明文，返回64位的密文，对于长度为n的，可以分成若干个64位的，剩余的小于64位的可以按照某种具体的规则来填充位。
流程大概这样是
![[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-iQCUz0or-1639576383812)(/Users/chelsea/Library/Application Support/typora-user-images/image-20211215204732899.png)]](https://img-blog.csdnimg.cn/f9b85fa184434dbda52f6e40b7b0749d.png?x-oss-process=image/watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBAQ2hlbHNlLg==,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16)
这个过程中有三个重要的框架：
- 左边的Feistel加密结构
- 右上角的密钥生成过程
- 右下角的F(X, Y)的工作过程
置换表
这个过程中用到了许多的置换表，主要作用有两个：（不是所有的置换表都有这两个作用）
- 消位。比如密钥生成过程的第一步：K通过PC-1盒置换来去掉奇偶校验位，使得从64位变成56位；还有类似的PC-2盒；以及轮函数中的S盒可以理解为一个特殊的置换表
- 混淆。扩散和混淆是Shannon提出的设计密码系统的两个基本方法，混淆的目的是使的明文和密文之间的关系尽可能复杂
根据下面的表我们来理解一下置换表的工作方法
现在有一个64位的串s，那从表a[65]的第一个a[1]开始，a[1]=57表示将s[57]放到t串的第一位，a[2] = 49表示将s[49]放到 t串的第2位…知道放完最后一个，就会得到一个t串，这个t串就是 s 串经过置换表后的结果
Feistel加密结构
介绍：
很多分组密码的结构本质上来说是基于Feistel网络的结构，通过交换、异或等操作得到密文，大体结构如下所示：
就是进行16轮的代换-置换
轮函数：
L
i
=
R
i
−
1
L_i=R_{i-1}
Li=Ri−1
R i = L i − 1 ⨁ F ( R i − 1 , K i ) R_i=L_{i-1}\bigoplus F(R_{i-1},K_i) Ri=Li−1⨁F(Ri−1,Ki)
这是Feistel最基本的函数，下一个的L是上一个的R，下一个的R是上一个的L⨁F(上一个的R, K)
这里我们分析一下DES的Feistel框架：
- 首先对于输入的
64bit的明文，先通过一个IP置换表，进行一次置换 - 然后将产生的
64bit的东西从中间劈开，分成 L 0 , R 0 L_0,R_0 L0,R0，作为初始的值进行第一次的轮函数， L 1 = R 0 L_1=R_0 L1=R0, R 1 = L 0 ⨁ F ( R 0 , K 1 ) R_1=L_0\bigoplus F(R_0,K1) R1=L0⨁F(R0,K1),这个函数和密钥的产生我们一会再讲 - 如此下去进行16轮，最后得到 L 16 ， R 16 L_{16}，R_{16} L16，R16
- 交换一下
L
16
，
R
16
L_{16}，R_{16}
L16，R16，得到
64bit的 R 16 L 16 R_{16}L_{16} R16L16 - 再进行一次逆IP置换，得到
64bit的密文
密钥生成
DES只需要一个初始的56bit的密钥，那怎么产生16个轮函数所需的
K
i
K_i
Ki呢
首先，提一个小的点，DES使用一个56位的初始密钥，但提供的其实是一个64位的值，这是因为在硬件实现中每8位可以用于奇偶校验，在软件实现中多出的位只是简单的忽略掉。
所以第8位、16位、32位、40位、48位、56位、64位都是奇偶校验位，
而忽略掉他们的方法就是我上次讲的置换函数的第一个作用：去位
64bit的初始密钥，经过置换盒子——PC-1盒，去掉奇偶校验位，得到56bit，分成左右两部分
C
0
,
D
0
C_0,D_0
C0,D0，各28bit，经过密钥位移表，得到
C
1
,
D
1
C_1,D_1
C1,D1,一方面合成56bit的一个串经过置换盒子——PC-2盒压缩得到48bit的
K
1
K_1
K1，另一方面作为
C
i
−
1
,
D
i
−
1
C_{i-1},D_{i-1}
Ci−1,Di−1去产生下一个C和D…
PC-1盒是56位的置换盒，PC-2盒是一个48位的置换盒，密钥移位表是一个2行16列的表，表示第 i 次
C
i
−
1
,
D
i
−
1
C_{i-1},D_{i-1}
Ci−1,Di−1的左移的次数，如下：
假如一个串是100010101，左移2位就是：001010110
F(R,K)函数
首先是对于32bit的
R
i
−
1
R_{i-1}
Ri−1进入一个E盒，进行位数的扩展，扩展成48bit再与
K
i
K_{i}
Ki进行异或后进入S盒进行压缩，得到32bit的串，再进入P盒进行置换
E盒
该置换盒的主要目的是在加密数据的过程中制造一些雪崩效应，使用数据块中的1位将在下一步操作中影响更多位，从而产生扩散效果。
这是一个扩展盒，扩展的方法是：将32位的数分成8个4位的，对于第 i个的组成是
S
i
+
1
S
i
+
2
S
i
+
3
S
i
+
4
S_{i+1}S_{i+2}S_{i+3}S_{i+4}
Si+1Si+2Si+3Si+4,根据E盒找到前一个对应的数和后一个对应的数插进去就行
比如 S 1 S 2 S 3 S 4 − > S 32 S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S_{1}S_{2}S_{3}S_{4}->S_{32}S_{1}S_{2}S_{3}S_{4}S_{5} S1S2S3S4−>S32S1S2S3S4S5
其实就是把原来的前一个拿过来，后一个拿过来
S盒
进行压缩的盒子，可以将48bit压缩成32bit
方法是：将48bit分成8份，每份6个数，用第一个和最后一个组成二进制转换成十进制对应行i,中间的四个数构成的二进制转换成十进制，作为列j,查表得到一个十进制，再转换成二进制即可
最后
根据框架图硬算就行了，这里就不放代码了
最后就是能得到64位的密文
