DES算法

一、DES算法

　　美國國家標(biāo)準(zhǔn)局1973年開始研究除國防部外的其它部門的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，于1973年5月15日和1974年8月27日先后兩次向公眾發(fā)出了征求加密算法的公告。加密算法要達(dá)到的目的（通常稱為DES 密碼算法要求）主要為以下四點(diǎn)：   ☆提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)保護(hù)，防止數(shù)據(jù)未經(jīng)授權(quán)的泄露和未被察覺的修改； 
 
 ☆具有相當(dāng)高的復(fù)雜性，使得破譯的開銷超過可能獲得的利益，同時(shí)又要便于理解和掌握； 
 
 ☆DES密碼體制的安全性應(yīng)該不依賴于算法的保密，其安全性僅以加密密鑰的保密為基礎(chǔ)； 
 
 ☆實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)，運(yùn)行有效，并且適用于多種完全不同的應(yīng)用。 
 


    1977年1月，美國政府頒布：采納IBM公司設(shè)計(jì)的方案作為非機(jī)密數(shù)據(jù)的正式數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（DES棗Data Encryption Standard）。 

　　目前在國內(nèi)，隨著三金工程尤其是金卡工程的啟動(dòng)，DES算法在POS、ATM、磁卡及智能卡（IC卡）、加油站、高速公路收費(fèi)站等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，以此來實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的保密，如信用卡持卡人的PIN的加密傳輸，IC卡與POS間的雙向認(rèn)證、金融交易數(shù)據(jù)包的MAC校驗(yàn)等，均用到DES算法。
　　DES算法的入口參數(shù)有三個(gè)：Key、Data、Mode。其中Key為8個(gè)字節(jié)共64位，是DES算法的工作密鑰；Data也為8個(gè)字節(jié)64位，是要被加密或被解密的數(shù)據(jù)；Mode為DES的工作方式，有兩種：加密或解密。
　　DES算法是這樣工作的：如Mode為加密，則用Key 去把數(shù)據(jù)Data進(jìn)行加密， 生成Data的密碼形式（64位）作為DES的輸出結(jié)果；如Mode為解密，則用Key去把密碼形式的數(shù)據(jù)Data解密，還原為Data的明碼形式（64位）作為DES的輸出結(jié)果。在通信網(wǎng)絡(luò)的兩端，雙方約定一致的Key，在通信的源點(diǎn)用Key對(duì)核心數(shù)據(jù)進(jìn)行DES加密，然后以密碼形式在公共通信網(wǎng)（如電話網(wǎng)）中傳輸?shù)酵ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的終點(diǎn)，數(shù)據(jù)到達(dá)目的地后，用同樣的Key對(duì)密碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，便再現(xiàn)了明碼形式的核心數(shù)據(jù)。這樣，便保證了核心數(shù)據(jù)（如PIN、MAC等）在公共通信網(wǎng)中傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?　　通過定期在通信網(wǎng)絡(luò)的源端和目的端同時(shí)改用新的Key，便能更進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的保密性，這正是現(xiàn)在金融交易網(wǎng)絡(luò)的流行做法。
　　DES算法詳述
　　DES算法把64位的明文輸入塊變?yōu)?4位的密文輸出塊，它所使用的密鑰也是64位，整個(gè)算法的主流程圖如下：
其功能是把輸入的64位數(shù)據(jù)塊按位重新組合，并把輸出分為L0、R0兩部分，每部分各長32位，其置換規(guī)則見下表：
58,50,12,34,26,18,10,2,60,52,44,36,28,20,12,4,
　　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,
　　即將輸入的第58位換到第一位，第50位換到第2位，...，依此類推，最后一位是原來的第7位。L0、R0則是換位輸出后的兩部分，L0是輸出的左32位，R0 是右32位，例：設(shè)置換前的輸入值為D1D2D3......D64，則經(jīng)過初始置換后的結(jié)果為：L0=D58D50...D8；R0=D57D49...D7。
　　經(jīng)過16次迭代運(yùn)算后。得到L16、R16，將此作為輸入，進(jìn)行逆置換，即得到密文輸出。逆置換正好是初始置的逆運(yùn)算，例如，第1位經(jīng)過初始置換后，處于第40位，而通過逆置換，又將第40位換回到第1位，其逆置換規(guī)則如下表所示：
　　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,
放大換位表
　　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,
單純換位表
　　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,
　　在f(Ri,Ki)算法描述圖中，S1,S2...S8為選擇函數(shù)，其功能是把6bit數(shù)據(jù)變?yōu)?bit數(shù)據(jù)。下面給出選擇函數(shù)Si(i=1,2......8)的功能表：
選擇函數(shù)Si
S1:
　　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,
S2:
　　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,
S3:
　　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,
S4:
　　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,
S5:
　　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,
S6:
　　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,
S7:
　　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,
S8:
　　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,
在此以S1為例說明其功能，我們可以看到：在S1中，共有4行數(shù)據(jù)，命名為0，1、2、3行；每行有16列，命名為0、1、2、3，......，14、15列。
　　現(xiàn)設(shè)輸入為： D＝D1D2D3D4D5D6
令：列＝D2D3D4D5
　　行＝D1D6
　　然后在S1表中查得對(duì)應(yīng)的數(shù)，以4位二進(jìn)制表示，此即為選擇函數(shù)S1的輸出。下面給出子密鑰Ki(48bit)的生成算法
　　從子密鑰Ki的生成算法描述圖中我們可以看到：初始Key值為64位，但DES算法規(guī)定，其中第8、16、......64位是奇偶校驗(yàn)位，不參與DES運(yùn)算。故Key 實(shí)際可用位數(shù)便只有56位。即：經(jīng)過縮小選擇換位表1的變換后，Key 的位數(shù)由64 位變成了56位，此56位分為C0、D0兩部分，各28位，然后分別進(jìn)行第1次循環(huán)左移，得到C1、D1，將C1（28位）、D1（28位）合并得到56位，再經(jīng)過縮小選擇換位2，從而便得到了密鑰K0（48位）。依此類推，便可得到K1、K2、......、K15，不過需要注意的是，16次循環(huán)左移對(duì)應(yīng)的左移位數(shù)要依據(jù)下述規(guī)則進(jìn)行：
循環(huán)左移位數(shù)
1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1
　　以上介紹了DES算法的加密過程。DES算法的解密過程是一樣的，區(qū)別僅僅在于第一次迭代時(shí)用子密鑰K15，第二次K14、......，最后一次用K0，算法本身并沒有任何變化。 


二、DES算法理論圖解 

 

DES的算法是對(duì)稱的，既可用于加密又可用于解密。下圖是它的算法粗框圖。其具體運(yùn)算過程有如下七步。

    

三、DES算法的應(yīng)用誤區(qū)　 


　　DES算法具有極高安全性，到目前為止，除了用窮舉搜索法對(duì)DES算法進(jìn)行攻擊外，還沒有發(fā)現(xiàn)更有效的辦法。而56位長的密鑰的窮舉空間為256，這意味著如果一臺(tái)計(jì)算機(jī)的速度是每一秒種檢測一百萬個(gè)密鑰，則它搜索完全部密鑰就需要將近2285年的時(shí)間，可見，這是難以實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)然，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)出現(xiàn)超高速計(jì)算機(jī)后，我們可考慮把DES密鑰的長度再增長一些，以此來達(dá)到更高的保密程度。
　　由上述DES算法介紹我們可以看到：DES算法中只用到64位密鑰中的其中56位，而第8、16、24、......64位8個(gè)位并未參與DES運(yùn)算，這一點(diǎn)，向我們提出了一個(gè)應(yīng)用上的要求，即DES的安全性是基于除了8，16，24，......64位外的其余56位的組合變化256才得以保證的。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，我們應(yīng)避開使用第8，16，24，......64位作為有效數(shù)據(jù)位，而使用其它的56位作為有效數(shù)據(jù)位，才能保證DES算法安全可靠地發(fā)揮作用。如果不了解這一點(diǎn)，把密鑰Key的8，16，24，..... .64位作為有效數(shù)據(jù)使用，將不能保證DES加密數(shù)據(jù)的安全性，對(duì)運(yùn)用DES來達(dá)到保密作用的系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)被破譯的危險(xiǎn)，這正是DES算法在應(yīng)用上的誤區(qū)，留下了被人攻擊、被人破譯的極大隱患。