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DES算法详解

[日期:2016-10-11] 来源:Linux社区  作者:songwenlong [字体: ]

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。

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:

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

  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1位放到新数据的第58位,第2位放到第50位,……依此类推,第64位放到第7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。

  设转换前的数据位D1D2D3…D64,则IP置换后的结果为L0=D58D50…D8,R0=D57D49…D7。0x0000 0080 0000 0002转换后的结果为0x0002 0000 0000 0001,且L0=0x0002 0000,R0=0x0000 0001。置换步骤如下:

  原数据第33位为1,置换表第33位为64,因此将1放到新数据的第64位;原数据第63位为1,置换表第63位为7,因此将1放到新数据的第7位;其余值为0的位按此置换。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):

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

  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:

轮数

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

位数

1

1

2

2

2

2

2

2

1

2

2

2

2

2

2

1

  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):

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

        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��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:

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

  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

1

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

  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

  压缩后的密钥与扩展分组异或以后得到48位的数据,将这个数据送人S盒,进行替代运算。替代由8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

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

19

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

5

8

3

15

13

0

14

9

14

11

2

12

4

7

13

1

5

0

15

13

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

 

  例如,假设S盒8的输入为110011,第1位和第6位组合为11,对应于S盒8的第3行;第2位到第5位为1001,对应于S盒8的第9列。S盒8的第3行第9列的数字为12,因此用1100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:

16

7

20

21

29

12

28

17

1

15

23

26

5

18

31

10

2

8

24

14

32

27

3

9

9

13

30

6

22

11

4

25

  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

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

  经P盒变换后为

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

0

1

1

0

  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:

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

  置换方法同上,此处省略。

  经过以上步骤,就可以得到密文了。

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