安全体系（一）—— DES算法详解

　　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。

　　安全体系（零）—— 加解密算法、消息摘要、消息认证技术、数字签名与公钥证书

　　安全体系（二）——RSA算法详解

安全体系（三）——SHA1算法详解

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：


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


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

19
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。

时间： 2024-08-21 21:50:21

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