動(dòng)態(tài)模擬方式詳解DES輪密鑰生成

李尚恩

摘要：DES對(duì)稱加密算法過程繁鎖復(fù)雜，其中的16輪密鑰生成過程也是一個(gè)復(fù)雜的過程，大量的選擇操作、循環(huán)移位操作，令眾多學(xué)者望而卻步，從而對(duì)該加密算法只是一知半解。現(xiàn)從筆者自己編寫的一個(gè)輪密鑰生成模擬程序入手，用動(dòng)態(tài)演示的方法全面而又詳細(xì)地剖析了輪密鑰的生成過程及原理，為大家透徹理解輪密鑰生成提供幫助，從而為深入學(xué)習(xí)DES加密算法和應(yīng)用DES加密算法打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：DES； 加密算法； 輪密鑰； 輪密鑰生成； 動(dòng)態(tài)模擬

中圖分類號(hào)：TP31156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：E文章編號(hào)：2095-2163（2013）06-0091-04

0引言

DES對(duì)稱加密算法過程繁瑣復(fù)雜，其中的16輪密鑰生成也同樣是一個(gè)繁雜的過程，涉及了大量的選擇和循環(huán)移位操作，這令眾多學(xué)者一直未能得見該加密算法的實(shí)質(zhì)和精髓。本文從筆者自己編寫的一個(gè)輪密鑰生成模擬程序入手，用動(dòng)態(tài)演示的方法全面、詳細(xì)地剖析了輪密鑰的原理及生成過程，旨在為諸多學(xué)者透徹理解輪密鑰生成提供切實(shí)、有效的幫助。一直以來，密碼學(xué)以研究秘密通信為目的，通過對(duì)需傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密，力求防止第三方非法竊取信息[1]。在當(dāng)今計(jì)算機(jī)得到廣泛應(yīng)用的數(shù)字信息時(shí)代，大量信息以數(shù)據(jù)的形式存放在計(jì)算機(jī)里，而信息的傳輸則需通過公共信道，但這些計(jì)算機(jī)和公共信道均未設(shè)防，很不安全，極易受到攻擊和破壞，因而如何保護(hù)信息的安全，是每位研究學(xué)者面臨的一大挑戰(zhàn)。眾所周知，密碼是一種有效且可行的保護(hù)信息安全的重要辦法，但在計(jì)算機(jī)犯罪日益增長，計(jì)算機(jī)黑客日益猖獗的環(huán)境下，一種高強(qiáng)度的加密算法已顯得尤為重要。

1DES加密算法簡(jiǎn)介

DES算法為密碼體制中的對(duì)稱密碼體制，又被稱為美國數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，是1972年美國IBM公司研制的對(duì)稱密碼體制加密算法。該加密算法的明文按64位進(jìn)行分組，密鑰長64位。事實(shí)上，密鑰是56位參與DES運(yùn)算（第8、16、24、32、40、48、56、64位是校驗(yàn)位，使得每個(gè)密鑰都有奇數(shù)個(gè)1），分組后的明文組和56位密鑰按位替代和交換的方法形成密文組的加密方法[2]。具體來說，該加密算法是一個(gè)迭代的分組密碼，使用稱為Feistel的技術(shù)[2]，其中將需加密的64位文本塊分成兩半，使用輪密鑰（也稱子密鑰）對(duì)其中的一半應(yīng)用循環(huán)移位功能，再將移位后的輸出與文本塊的另一半進(jìn)行異或運(yùn)算；接著交換這兩半，重復(fù)這一循環(huán)移位和異或過程，即進(jìn)行16次循環(huán)移位和異或，但最后一個(gè)循環(huán)則不交換這兩半文本塊，最后即可得到加密后的64位文本塊[3]。DES使用了16個(gè)循環(huán)，同時(shí)也調(diào)用了異或、置換、代換、移位操作四種基本運(yùn)算[4，5]，從而將64位的明文輸入塊變成64位的密文輸出塊。算法整體流程如圖1所示。

2輪密鑰

密鑰是一種參數(shù)，是在明文轉(zhuǎn)換為密文或?qū)⒚芪霓D(zhuǎn)換為明文的算法中輸入的數(shù)據(jù)。從DES算法流程可以看出，整個(gè)DES加密過程需要16個(gè)輪密鑰（K1，K2，K3，……，K16）參與運(yùn)算，才能完整地將明文輸入塊變換為密文輸出塊。那么這16個(gè)輪密鑰從何而來？在DES迭代加密過程中，使用的16個(gè)輪密鑰（48位）均來自于一個(gè)64位的種子密鑰。該種子密鑰共有64位，其中每個(gè)字節(jié)的第8位（第8、16、24、32、40、48、56、64位是校驗(yàn)位，使得每個(gè)密鑰都有奇數(shù)個(gè)1）作為奇偶校驗(yàn)[6]。其具體過程描述如下：64位種子密鑰首先根據(jù)選擇置換表PC-1（見表1）進(jìn)行置換（就是將數(shù)碼中的某一位的值根據(jù)置換表的規(guī)定，用另一位代替），從而去除其中的奇偶校驗(yàn)位，得到56位的選擇矩陣；然后在DES的16輪密鑰變換生成過程中，每一輪都將一個(gè)56位的密鑰分成左右各28位的兩部分，再根據(jù)輪數(shù)循環(huán)左移表（見表2）分別左移后，合并左右兩部分，得到56位密鑰，其后則由密鑰壓縮置換表PC-2（表3）將56位密鑰壓縮成48比特密鑰。完整的生成算法過程如圖2所示。

3.9依此類推，依次得到剩下的輪密鑰

依此類推，依次得到剩下的輪密鑰K4，K5，K6，K7，K8，K9，K10，K11，K12，K13，K14，K15，K16。下面用表格形式展示本次輪密鑰生成過程得到的16個(gè)輪密鑰，如表4所示。表格第一列是輪密鑰的名稱，表格第二列是二進(jìn)制的輪密鑰，表格第三列是與第二列對(duì)應(yīng)的16進(jìn)制的輪密鑰。

4結(jié)束語

總而言之，輪密鑰生成過程是一個(gè)復(fù)雜的移位和選擇過程，很多學(xué)者都難以讀懂，對(duì)其只是一知半解。本文通過一種嶄新的逐步動(dòng)態(tài)演示的方式闡述了整個(gè)流程，借助圖表展示了整個(gè)算法的步驟，遠(yuǎn)比文字、數(shù)字式表達(dá)具有更高的可接受度，整個(gè)過程緊湊，且清晰，而且將傳統(tǒng)文字，數(shù)字表達(dá)方式轉(zhuǎn)換成圖表的表現(xiàn)方式，有助于研究人員透徹地認(rèn)識(shí)該算法的原理及過程，從而為深入學(xué)習(xí)DES加密算法和應(yīng)用DES加密算法打下基礎(chǔ)。

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