DES算法原理完整版

1.所需參數

key：8個字節共64位的工作密鑰

data：8個字節共64位的需要被加密或被解密的數據　　

mode：DES工作方式，加密或者解密

2.初始置換

DES算法使用64位的密鑰key將64位的明文輸入塊變為64位的密文輸出塊，並把輸出塊分為L0、R0兩部分，每部分均為32位。初始置換規則如下：

注意：這里的數字表示的是原數據的位置，不是數據

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,

即將輸入的64位明文的第1位置換到第40位，第2位置換到第8位，第3位置換到第48位。以此類推，最后一位是原來的第7位。置換規則是規定的。L0(Left)是置換后的數據的前32位，R0(Right)是置換后的數據的后32位。
例如：64位輸入塊是D1~D64，則經過初始置換后是D58，D50...D7。則L0=D58,D50,D12...D8；R0=D57,D49,D41...D7。

該置換過程是在64位秘鑰的控制下。

3.加密處理--迭代過程

經過初始置換后，進行16輪完全相同的運算，在運算過程中數據與秘鑰結合。

函數f的輸出經過一個異或運算，和左半部分結合形成新的右半部分，原來的右半部分成為新的左半部分。每輪迭代的過程可以表示如下：

Ln = R(n - 1)；

Rn = L(n - 1)⊕f(Rn-1,kn-1)

⊕:異或運算

Kn是向第N層輸入的48位的秘鑰，f是以Rn-1和Kn為變量的輸出32位的函數

3.1函數f

函數f由四步運算構成：秘鑰置換(Kn的生成，n=0~16)；擴展置換；S-盒代替；P-盒置換。

3.1.1 秘鑰置換--子密鑰生成

DES算法由64位秘鑰產生16輪的48位子秘鑰。在每一輪的迭代過程中，使用不同的子秘鑰。

a、把密鑰的奇偶校驗位忽略不參與計算，即每個字節的第8位，將64位密鑰降至56位，然后根據選擇置換PC-1將這56位分成兩塊C0(28位)和D0(28位)；

b、將C0和D0進行循環左移變化(注：每輪循環左移的位數由輪數決定)，變換后生成C1和D1，然后C1和D1合並，並通過選擇置換PC-2生成子密鑰K1(48位)；

c、C1和D1在次經過循環左移變換，生成C2和D2，然后C2和D2合並，通過選擇置換PC-2生成密鑰K2(48位)；

d、以此類推，得到K16(48位)。但是最后一輪的左右兩部分不交換，而是直接合並在一起R16L16，作為逆置換的輸入塊。其中循環左移的位數一共是循環左移16次，其中第一次、第二次、第九次、第十六次是循環左移一位，其他都是左移兩位。

3.1.2 密鑰置換選擇1---PC-1(子秘鑰的生成)

操作對象是64位秘鑰

64位秘鑰降至56位秘鑰不是說將每個字節的第八位刪除，而是通過縮小選擇換位表1（置換選擇表1）的變換變成56位。如下：

注意：這里的數字表示的是原數據的位置，不是數據

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

再講56位秘鑰分成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

根據輪數，將Cn和Dn分別循環左移1位或2位

循環左移每輪移動的位數如下：

第一輪是循環左移1位。C0循環左移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循環左移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

C1和D1合並之后，再經過置換選擇表2生成48位的子秘鑰K1。置換選擇表2(PC-2)如下：

 去掉第9、18、22、25、35、38、43、54位，從56位變成48位，再按表的位置置換。

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再次經過循環左移變換，生成C2和D2，C2和D2合並，通過PC-2生成子秘鑰K2。
以此類推，得到子秘鑰K1~K16。需要注意其中循環左移的位數。

3.1.2 擴展置換E(E位選擇表)

通過擴展置換E，數據的右半部分Rn從32位擴展到48位。擴展置換改變了位的次序，重復了某些位。

擴展置換的目的：a、產生與秘鑰相同長度的數據以進行異或運算，R0是32位，子秘鑰是48位，所以R0要先進行擴展置換之后與子秘鑰進行異或運算；b、提供更長的結果，使得在替代運算時能夠進行壓縮。

擴展置換E規則如下：

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

3.1.3 S-盒代替(功能表S盒)
Rn擴展置換之后與子秘鑰Kn異或以后的結果作為輸入塊進行S盒代替運算
功能是把48位數據變為32位數據

代替運算由8個不同的代替盒(S盒)完成。每個S-盒有6位輸入，4位輸出。

所以48位的輸入塊被分成8個6位的分組，每一個分組對應一個S-盒代替操作。

經過S-盒代替，形成8個4位分組結果。

注意：每一個S-盒的輸入數據是6位，輸出數據是4位，但是每個S-盒自身是64位！！
每個S-和是4行16列的格式，因為二進制4位是0~15。8個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-盒計算過程

假設S-盒8的輸入(即異或函數的第43~18位)為110011。

第1位和最后一位組合形成了11(二進制)，對應S-盒8的第3行。中間的4位組成形成1001(二進制),對應S-盒8的第9列。所以對應S-盒8第3行第9列值是12。則S-盒輸出是1100(二進制)。

3.1.4 P-盒置換

S-盒代替運算，每一盒得到4位，8盒共得到32位輸出。這32位輸出作為P盒置換的輸入塊。

P盒置換將每一位輸入位映射到輸出位。任何一位都不能被映射兩次，也不能被略去。

經過P-盒置換的結果與最初64位分組的左半部分異或，然后左右兩部分交換，開始下一輪迭代。

P-盒置換表(表示數據的位置)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,

將32位的輸入的第16位放在第一位，第七位放在第二位，第二十位放在第三位，以此類推。

4.逆置換

將初始置換進行16次的迭代，即進行16層的加密變換，這個運算過程我們暫時稱為函數f。得到L16和R16，將此作為輸入塊，進行逆置換得到最終的密文輸出塊。逆置換是初始置換的逆運算。從初始置換規則中可以看到，原始數據的第1位置換到了第40位，第2位置換到了第8位。則逆置換就是將第40位置換到第1位，第8位置換到第2位。以此類推，逆置換規則如下

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,

注意：DES算法的加密密鑰是根據用戶輸入的秘鑰生成的,該算法把64位密碼中的第8位、第16位、第24位、第32位、第40位、第48位、第56位、第64位作為奇偶校驗位,在計算密鑰時要忽略這8位.所以實際中使用的秘鑰有效位是56位。詳情計算看本文的3.1.2秘鑰置換選擇。

秘鑰共64位，每次置換都不考慮每字節的第8位，因為這一位是奇偶校驗位，所以64位秘鑰的第8、16、24、32、40、48、56、64位在計算秘鑰時均忽略。

4.DES算法描述

 

1)、輸入64位明文數據，並進行初始置換IP；
2)、在初始置換IP后，明文數據再被分為左右兩部分，每部分32位，以L0，R0表示；
3)、在秘鑰的控制下，經過16輪運算(f)；
4)、16輪后，左、右兩部分交換，並連接再一起，再進行逆置換；
5)、輸出64位密文。

 

5.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鑰的次序是相反的。就是說如果每一輪的加密秘鑰分別是K1、K2、K3...K16，那么解密秘鑰就是K16、K15、K14...K1。為每一輪產生秘鑰的算法也是循環的。加密是秘鑰循環左移，解密是秘鑰循環右移。解密秘鑰每次移動的位數是：0、1、2、2、2、2、2、2、1、2、2、2、2、2、2、1。
6.DES算法特點

1、分組加密算法：以64位為分組。64位明文輸入，64位密文輸出。
2、對稱算法：加密和解密使用同一秘鑰
3、有效秘鑰長度:為56位秘鑰通常表示為64位數，但每個第8位用作奇偶校驗，可以忽略。
4、代替和置換:DES算法是兩種加密技術的組合：混亂和擴散。先替代后置換。
5、易於實現:DES算法只是使用了標准的算術和邏輯運算，其作用的數最多也只有64 位，因此用70年代末期的硬件技術很容易實現算法的重復特性使得它可以非常理想地用在一個專用芯片中。

7 秘鑰算法的特點

優點：

效率高，算法簡單，系統開銷小

適合加密大量數據

明文長度和密文長度相等

缺點：

需要以安全方式進行秘鑰交換

秘鑰管理復雜