分组密码：DES密码原理详解

目录

1.  DES概述

2.  DES原理

2.1 子密钥的产生

2.2 初始化置换IP

2.3 Feistel密码结构和16轮的轮函数F变换

2.4 逆初始置换

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1.  DES概述

• DES（Data Encryption Standard）数据加密标准
• DES是分组密码的典型代表，也是第一个被公布出来的加密标准算法。
• 属于对称运算，综合使用了置换(P)、代替(S)和代数(异或)等多种密码技术。
• 典型的Feistel密码结构，一共进行16轮迭代，现代大多数对称分组密码也是基于Feistel密码结构。

2.  DES原理

首先了解下整体过程：

1. 由 64 位密钥生成 16 个 48 位的子密钥  ；
2. 对 64 位的明文初始化置换 IP，分成左右各半，即  和  ；
3. 在 16 个子密钥控制下按 Feistel密码结构 进行  16 轮迭代 （每轮迭代包括 E扩展、异或、S盒代换、P置换 ）；
4. 交换左右  32 位得到  ，再进行 逆初始置换  。

2.1 子密钥的产生

• 对于 64 位的密钥，其有效密钥长度为 56 位（另外8位用于校验），先经过置换选择1后分成左右各 28 位。然后再经过 16 次的循环左移和置换选择2，产生 16 个 48 位的子密钥。具体如下：

（1）置换选择1

• 64 位的密钥首先去掉 8 位奇偶校验位，剩余56位有效密钥长度。如图，最后一列为奇偶校验位。

• 然后根据下图的置换表PC-1，将密钥打乱重排，再分成左右各半，左边 28 位记为 ，右边 28 位记为。
• 例如，PC-1第1位是57，即把原密钥的第57位排在第1位。
• 注：PC-1表是给定的，共有 8行7列。可以发现，PC-1表中不含奇偶校验位，所以在置换的同时就去掉奇偶校验位，而不用真的单独去掉后再打乱。
• 即置换选择1后从 64 位变成 58 位。

（2）循环移位

• 根据下图的循环移位表决定和左移的位数。
• 如：1111000 0110011 0010101 0101111
• 循环左移1位后：1110000 1100110 0101010 1011111
• 注：迭代次数不同，移位次数不同。

（3）置换选择2

• 合并循环左移后的左右两部分，然后根据下图的置换表PC-2，将得到的打乱重排，并从 56 位变成 48 位，得到第1个子密钥。
• 注：置换表PC-1是 8行6列。
• 例如，PC-2第1位是14，即把循环移位后的第14位排在第1位。

（4）循环迭代

• 之后重复循环移位和置换选择2，再迭代15次。
• 即总共需要迭代16次，最终得到16个子密钥。

2.2 初始化置换IP

• 将明文用二进制位表示，按 64 位为单位进行分组，将 64 位明文根据初始置换表进行位与位的置换，置换后分为左右各半，即和，各 32 位。
• 注：初始置换表为 8×8 的表格，是固定的。
• 例如，初始置换表第1位是58，即把明文的第58位排在第1位。

2.3 Feistel密码结构和16轮的轮函数F变换

Feistel密码结构：

加密：

• 
• 

解密：

• 
• 

其中，F轮函数是DES的核心，数据处理宽度为 32 位，具体包括E扩展、异或操作、S盒代换、P置换：

（1）E扩展

• 按照扩展置换表，对  进行E扩展得到 ，由 32 位扩展到 48 位。
• 例，扩展置换表第1位是32表示该位置的值等于未扩展R中第32位。

（2）异或操作

• 对  和  进行异或操作，即 。

（3）S盒代换

• S盒是DES唯一的非线性变换，是DES安全的关键，总共有8个S盒。每个S盒有6个输入，4个输出，是一种非线性的压缩变换。
• 将48位的  分为8组，每组6位，分别输入8个S盒，每个S盒产生4位输出，共输出32位。其中，每组的第1位和最后1位组成的二进制位行号，中间4位组成的二进制位列号。
• 例， 前8位为011000，则S1盒输入为011000，其中00是行，1100是列，S1盒行为0、列为12的交叉处的值为5，即输出为二进制0101。
• 后面位数也由相应的S盒处理，处理完成后由 48 位变回 32 位。

（4）P置换

• 按照置换运算P，将8个S盒代换后的值进行置换运算，把数据打乱。

按照上面步骤，进行 16 轮的轮函数F变换。在进行 16 轮相同迭代后， 交换左右 32 比特得到。

2.4 逆初始置换

• 按照逆初始置换表进行置换得到64位的密文，这是DES加密的最后一步。