DES加密算法的原理

DES加密算法的原理.

一．本文實用於初學者，目的在於幫助大家熟悉一些系統底層的知識。

二．本文只是為了讓廣大網友共同提高一些基礎知識，本人決無賣弄之意，只供需要這方面知識的讀者閱讀，如果你是高手，或者不需要這方面知識，請跳過。

三．本文是一篇翻譯文章，如有雷同，敬請諒解。

四．本文歡迎傳抄轉載，但是不要用於任何商業用途。請尊重作者勞動，也歡迎來信交流 [e-mail] 【正文】 DES算法理論 本世紀五十年代以來，密碼學研究領域出現了最具代表性的兩大成就。其中之一就是1971年美國學者塔奇曼 （Tuchman）和麥耶（Meyer）根據信息論創始人香農（Shannon）提出的「多重加密有效性理論」創立的，後於1977年由美國國家標準局頒布的數據加密標準。 DES密碼實際上是Lucifer密碼的進一步發展。它是一種採用傳統加密方法的區組密碼。 它的算法是對稱的，既可用於加密又可用於解密。 美國國家標準局1973年開始研究除國防部外的其它部門的計算機系統的數據加密標準，於1973年5月15日和1974年8月27日先後兩次向公眾發出了徵求加密算法的公告。 加密算法要達到的目的通常稱為DES密碼算法要求主要為以下四點： 提供高質量的數據保護，防止數據未經授權的洩露和未被察覺的修改；具有相當高的複雜性，使得破譯的開銷超過可能獲得的利益，同時又要便於理解和掌握 DES密碼體制的安全性應該不依賴於算法的保密，其安全性僅以加密密鑰的保密為基礎實現經濟，運行有效，並且適用於多種完全不同的應用。 1977年1月，美國政府頒布：採納IBM公司設計的方案作為非機密數據的正式數據加密標準（DES棗Data Encryption Standard）。 　　目前在這裡，隨著三金工程尤其是金卡工程的啟動，DES算法在POS、ATM、磁卡及智能卡（IC卡）、加油站、高速公路收費站等領域被廣泛應用，以此來實現關鍵數據的保密，如信用卡持卡人的PIN的加密傳輸，IC卡與POS間的雙向認證、金融交易數據包的MAC校驗等，均用到DES算法。 　　DES算法的入口參數有三個：Key、Data、Mode。其中Key為8個字節共64位，是DES算法的工作密鑰；Data也為8個字節64位，是要被加密或被解密的數據；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 去把數據Data進行加密， 生成Data的密碼形式（64位）作為DES的輸出結果；如Mode為解密，則用Key去把密碼形式的數據Data解密，還原為Data的明碼形式（64位）作為DES的輸出結果。在通信網絡的兩端，雙方約定一致的Key，在通信的源點用Key對核心數據進行DES加密，然後以密碼形式在公共通信網（如電話網）中傳輸到通信網絡的終點，數據到達目的地後，用同樣的Key對密碼數據進行解密，便再現了明碼形式的核心數據。這樣，便保證了核心數據（如PIN、MAC等）在公共通信網中傳輸的安全性和可靠性。 　　通過定期在通信網絡的源端和目的端同時改用新的Key，便能更進一步提高數據的保密性，這正是現在金融交易網絡的流行做法。 　　DES算法詳述 　　DES算法把64位的明文輸入塊變為64位的密文輸出塊，它所使用的密鑰也是64位,其功能是把輸入的64位數據塊按位重新組合，並把輸出分為L0、R0兩部分，每部分各長32位，其置換規則見下表： 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，最後一位是原來的第7位。L0、R0則是換位輸出後的兩部分，L0是輸出的左32位，R0 是右32位，例：設置換前的輸入值為D1D2D3......D64，則經過初始置換後的結果為：L0=D550...D8；R0=D57D49...D7。 　　經過26次迭代運算後。得到L16、R16，將此作為輸入，進行逆置換，即得到密文輸出。逆置換正好是初始置的逆運算，例如，第1位經過初始置換後，處於第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，其功能是把6bit數據變為4bit數據。下面給出選擇函數Si(i=1,2......8)的功能表：選擇函數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行數據，命名為0，1、2、3行；每行有16列，命名為0、1、2、3，......，14、15列。 　　現設輸入為： D＝D1D2D3D4D5D6 令：列＝D2D3D4D5 　　行＝D1D6 　　然後在S1表中查得對應的數，以4位二進製表示，此即為選擇函數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算法規定，其中第8、16、......64位是奇偶校驗位，不參與DES運算。故Key 實際可用位數便只有56位。即：經過縮小選擇換位表1的變換後，Key 的位數由64 位變成了56位，此56位分為C0、D0兩部分，各28位，然後分別進行第1次循環左移，得到C1、D1，將C1（28位）、D1（28位）合併得到56位，再經過縮小選擇換位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次循環左移對應的左移位數要依據下述規則進行： 循環左移位數 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，區別僅僅在於第一次迭代時用子密鑰K15，第二次K14、......，最後一次用K0，算法本身並沒有任何變化。 DES算法具有極高安全性，到目前為止，除了用窮舉搜索法對DES算法進行攻擊外，還沒有發現更有效的辦法。而56位長的密鑰的窮舉空間為256，這意味著如果一台計算機的速度是每一秒種檢測一百萬個密鑰，則它搜索完全部密鑰就需要將近2285年的時間，可見，這是難以實現的，當然，隨著科學技術的發展，當出現超高速計算機後，我們可考慮把DES密鑰的長度再增長一些，以此來達到更高的保密程度。 　　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個位並未參與DES運算，這一點，向我們提出了一個應用上的要求，即DES的安全性是基於除了8，16，24，......64位外的其餘56位的組合變化256才得以保證的。因此，在實際應用中，我們應避開使用第8，16，24，......64位作為有效數據位，而使用其它的56位作為有效數據位，才能保證DES算法安全可靠地發揮作用。如果不瞭解這一點，把密鑰Key的8，16，24，..... .64位作為有效數據使用，將不能保證DES加密數據的安全性，對運用DES來達到保密作用的系統產生數據被破譯的危險，這正是DES算法在應用上的誤區，是各級技術人員、各級領導在使用過程中應絕對避免的，而當今各金融部門及非金融部門，在運用DES工作，掌握DES工作密鑰Key的領導、主管們，極易忽略，給使用中貌似安全的系統，留下了被人攻擊、被人破譯的極大隱患。 DES算法應用誤區的驗證數據 　　筆者用Turbo C編寫了DES算法程序，並在PC機上對上述的DES 算法的應用誤區進行了騅，其驗證數據如下： Key: 0x30 0x30 0x30 0x30......0x30（8個字節） Data: 0x31 0x31 0x31 0x31......0x31（8個字節） Mode: Encryption 結果：65 5e a6 28 cf 62 58 5f 　　如果把上述的Key換為8個字節的0x31，而Data和Mode均不變，則執行DES 後得到的密文完全一樣。類似地，用Key:8個0x32和用Key:8個0x33 去加密Data （8 個0x31），二者的圖文輸出也是相同的：5e c3 ac e9 53 71 3b ba 我們可以得到出結論： Key用0x30與用0x31是一樣的； Key用0x32與用0x33是一樣的，...... 　　當Key由8個0x32換成8個0x31後，貌似換成了新的Key，但由於0x30和0x31僅僅是在第8，16，24......64有變化，而DES算法並不使用Key的第8，16，......64位作為Key的有效數據位，故：加密出的結果是一樣的。 DES解密的驗證數據： Key: 0x31 0x31......0x31（8個0x31） Data: 65 5e a6 28 cf 62 58 5f Mode: Decryption 結果：0x31 0x31......0x31（8個0x31） 　　由以上看出：DES算法加密與解密均工作正確。唯一需要避免的是：在應用中，避開使用Key的第8，16......64位作為有效數據位，從而便避開了DES 算法在應用中的誤區。避開DES算法應用誤區的具體操作 　　在DES密鑰Key的使用、管理及密鑰更換的過程中，應絕對避開DES 算法的應用誤區，即：絕對不能把Key的第8，16，24......64位作為有效數據位，來對Key 進行管理。這一點，特別推薦給金融銀行界及非金融業界的領導及決策者們，尤其是負責管理密鑰的人，要對此點予以高度重視。有的銀行金融交易網絡，利用定期更換DES密鑰Key的辦法來進一步提高系統的安全性和可靠性，如果忽略了上述應用誤區，那麼，更換新密鑰將是徒勞的，對金融交易網絡的安全運行將是十分危險的，所以更換密鑰一定要保證新Key與舊Key真正的不同，即除了第8，16，24，...64位外其它位數據發生了變化，請務必對此保持高度重視！