DES加密算法

一、des算法 

　　美國國家标準局1973年開始研究除國防部外的其它部門的計算機系統的資料加密标準，于1973年5月15日和1974年8月27日先後兩次向公衆發出了征求加密算法的公告。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： 提供高品質的資料保護，防止資料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，同時又要便于了解和掌握； 

des密碼體制的安全性應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； 

實作經濟，運作有效，并且适用于多種完全不同的應用。 

1977年1月，美國政府頒布：采納ibm公司設計的方案作為非機密資料的正式資料加密标準（des?data encryption standard）。 

　　目前在國内，随着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，以此來實作關鍵資料的保密，如信用卡持卡人的pin的加密傳輸，ic卡與pos間的雙向認證、金融交易資料包的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個位元組共64位，是des算法的工作密鑰；data也為8個位元組64位，是要被加密或被解密的資料；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 去把資料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去把密碼形式的資料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，雙方約定一緻的key，在通信的源點用key對核心資料進行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，資料到達目的地後，用同樣的key對密碼資料進行解密，便再現了明碼形式的核心資料。這樣，便保證了核心資料（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，便能更進一步提高資料的保密性，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，整個算法的主流程圖如下： 

其功能是把輸入的64位資料塊按位重新組合，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, 

　　即将輸入的第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：設定換前的輸入值為d1d2d3......d64，則經過初始置換後的結果為：l0=d58d50...d8；r0=d57d49...d7。 

　　經過16次疊代運算後。得到l16、r16，将此作為輸入，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，處于第40位，而通過逆置換，又将第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資料變為4bit資料。下面給出選擇函數si(i=1,2......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行資料，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位二進制表示，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 實際可用位數便隻有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，然後分别進行第1次循環左移，得到c1、d1，将c1（28位）、d1（28位）合并得到56位，再經過縮小選擇換位2，進而便得到了密鑰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，差別僅僅在于第一次疊代時用子密鑰k15，第二次k14、......，最後一次用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。其具體運算過程有如下七步。 

＜缺：找到補上＞ 

三、des算法的應用誤區　 

　　des算法具有極高安全性，到目前為止，除了用窮舉搜尋法對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，這意味着如果一台計算機的速度是每一秒種檢測一百萬個密鑰，則它搜尋完全部密鑰就需要将近2285年的時間，可見，這是難以實作的，當然，随着科學技術的發展，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算法中隻用到64位密鑰中的其中56位，而第8、16、24、......64位8個位并未參與des運算，這一點，向我們提出了一個應用上的要求，即des的安全性是基于除了8，16，24，......64位外的其餘56位的組合變化256才得以保證的。是以，在實際應用中，我們應避開使用第8，16，24，......64位作為有效資料位，而使用其它的56位作為有效資料位，才能保證des算法安全可靠地發揮作用。如果不了解這一點，把密鑰key的8，16，24，..... .64位作為有效資料使用，将不能保證des加密資料的安全性，對運用des來達到保密作用的系統産生資料被破譯的危險，這正是des算法在應用上的誤區，留下了被人攻擊、被人破譯的極大隐患。

下面是des加密算法的java實作