安全体系（一）—— DES算法详解

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本文主要介绍了DES算法的步骤，包括IP置换、密钥置换、E扩展置换、S盒代替、P盒置换和末置换。

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1.DES算法简介

DES算法为密码体制中的对称密码体制，又被称为美国数据加密标准。

DES是一个分组加密算法，典型的DES以64位为分组对数据加密，加密和解密用的是同一个算法。

密钥长64位，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），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。

DES算法的主要流程如下图所示，本文按照流程依次介绍每个模块。

2.IP置换

IP置换目的是将输入的64位数据块按位重新组合，并把输出分为L0、R0两部分，每部分各长32位。

置换规则如下表所示：

表中的数字代表新数据中此位置的数据在原数据中的位置，即原数据块的第58位放到新数据的第1位，第50位放到第2位，……依此类推，第7位放到第64位。置换后的数据分为L0和R0两部分，L0为新数据的左32位，R0为新数据的右32位。

要注意一点，位数是从左边开始数的，即最0x0000 0080 0000 0002最左边的位为1，最右边的位为64。

3.密钥置换

不考虑每个字节的第8位，DES的密钥由64位减至56位，每个字节的第8位作为奇偶校验位。产生的56位密钥由下表生成（注意表中没有8,16,24，32,40,48,56和64这8位）：

在DES的每一轮中，从56位密钥产生出不同的48位子密钥，确定这些子密钥的方式如下：

1).将56位的密钥分成两部分，每部分28位。

2).根据轮数，这两部分分别循环左移1位或2位。每轮移动的位数如下表：

移动后，从56位中选出48位。这个过程中，既置换了每位的顺序，又选择了子密钥，因此称为压缩置换。压缩置换规则如下表（注意表中没有9，18，22，25，35，38，43和54这8位）：

置换方法同上，此处省略。

4.E扩展置换

扩展置置换目标是IP置换后获得的右半部分R0，将32位输入扩展为48位(分为4位×8组)输出。

扩展置换目的有两个：生成与密钥相同长度的数据以进行异或运算；提供更长的结果，在后续的替代运算中可以进行压缩。

扩展置换原理如下表：

表中的数字代表位，两列黄色数据是扩展的数据，可以看出，扩展的数据是从相邻两组分别取靠近的一位，4位变为6位。靠近32位的位为1，靠近1位的位为32。表中第二行的4取自上组中的末位，9取自下组中的首位。

我们举个例子看一下(虽然扩展置换针对的是上步IP置换中的R0，但为便于观察扩展，这里不取R0举例)：

输入数据0x1081 1001，转换为二进制就是0001 0000 1000 0001B，按照上表扩展得下表

表中的黄色数据是从临近的上下组取得的，二进制为1000 1010 0001 0100 0000 0010 1000 1010 0000 0000 0000 0010B，转换为十六进制0x8A14 028A 0002。

扩展置换之后，右半部分数据R0变为48位，与密钥置换得到的轮密钥进行异或。

5.S盒代替

个不同的S盒完成，每个S盒有6位输入4位输出。48位输入分为8个6位的分组，一个分组对应一个S盒，对应的S盒对各组进行代替操作。

一个S盒就是一个4行16列的表，盒中的每一项都是一个4位的数。S盒的6个输入确定了其对应的输出在哪一行哪一列，输入的高低两位做为行数H，中间四位做为列数L，在S-BOX中查找第H行L列对应的数据(<32)。

8个S盒如下：

S盒1

S盒2

S盒3

S盒4

S盒5

S盒6

S盒7

S盒8

例如，假设S盒8的输入为，第1位和第6位组合为，对应于S盒8的第3行；第2位到第5位为，对应于S盒8的第9列。S盒8的第3行第9列的数字为，因此用来代替110011。注意，S盒的行列计数都是从0开始。

代替过程产生8个4位的分组，组合在一起形成32位数据。

S盒代替时DES算法的关键步骤，所有的其他的运算都是线性的，易于分析，而S盒是非线性的，相比于其他步骤，提供了更好安全性。

6.P盒置换

S盒代替运算的32位输出按照P盒进行置换。该置换把输入的每位映射到输出位，任何一位不能被映射两次，也不能被略去，映射规则如下表：

表中的数字代表原数据中此位置的数据在新数据中的位置，即原数据块的第16位放到新数据的第1位，第7位放到第2位，……依此类推，第25位放到第32位。

例如0x10A1 0001进行P盒置换后变为0x8000 0886。

0x10A1 0001表现为表的形式（第一位位于左上角）原来为

经P盒变换后为

即1000 0000 0000 0000 0000 1000 1000 0110B，十六进制为0x8000 0886。

最后，P盒置换的结果与最初的64位分组左半部分L0异或，然后左、右半部分交换，接着开始另一轮。

7.IP^-1末置换

末置换是初始置换的逆过程，DES最后一轮后，左、右两半部分并未进行交换，而是两部分合并形成一个分组做为末置换的输入。末置换规则如下表：

置换方法同上，此处省略。

经过以上步骤，就可以得到密文了。