數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)研究之DES設(shè)計(jì)思想及體制分析

唐琳

（赤峰學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)研究之DES設(shè)計(jì)思想及體制分析

唐琳

（赤峰學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES自上世紀(jì)60年代出現(xiàn)至今一直擁有較高的認(rèn)可度和較廣的使用范圍，本文認(rèn)為，DES既繼承了古典密碼的算法核心思想，又具備了現(xiàn)代密碼使用密鑰保證數(shù)據(jù)機(jī)密性的特點(diǎn)，從其基本設(shè)計(jì)思想到其密碼體制，本文都給出了較為詳細(xì)的分析.

DES；密碼；設(shè)計(jì)思想

1 DES的起源背景

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為常用工具被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)領(lǐng)域中，尤其是金融領(lǐng)域，對(duì)信息安全及數(shù)據(jù)加密的要求越來越高，這就導(dǎo)致在上世紀(jì)70年代初，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局開始著手研究除國防部現(xiàn)役使用的專用密碼標(biāo)準(zhǔn)外其它各部門計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通用的加密標(biāo)準(zhǔn).不同行業(yè)、不同領(lǐng)域針對(duì)研制新的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)提出了很多嚴(yán)格的要求，在匯總整理后歸納為四點(diǎn)：①新標(biāo)準(zhǔn)要求能夠提供更高效的數(shù)據(jù)保護(hù)，能夠有效防止在未經(jīng)授權(quán)情況下的數(shù)據(jù)泄露及私自篡改；②要求既有足夠的編碼復(fù)雜性，又易于理解和掌握，破譯密碼的成本高于預(yù)期收益；③安全性應(yīng)以加密密鑰的保密為基礎(chǔ)，而不能依賴于算法；④編碼實(shí)現(xiàn)過程經(jīng)濟(jì)、有效，通用性好.上述四點(diǎn)在DES誕生后又常被稱為DES密碼算法要求.

美國政府于1973年5月和1974年8月先后兩次發(fā)出加密算法征集公告，并最終在1977年1月正式頒布采納由IBM公司于1972年研制的加密算法作為非機(jī)要部門使用的非機(jī)密數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)即DES，是DataEncrytion Standard的縮寫.自從公布以來，它一直超越國界成為國際上商用保密通信和計(jì)算機(jī)通信的最常用的加密算法.

2 DES應(yīng)用領(lǐng)域

DES作為非機(jī)要部門使用的非機(jī)密數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，自公布以來便被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，早期主要應(yīng)用于銀行業(yè)的電子資金轉(zhuǎn)賬領(lǐng)域，后來逐漸推廣至整個(gè)金融領(lǐng)域.上世紀(jì)70~80年代，DES在國外已開始廣泛應(yīng)用在POS機(jī)、ATM機(jī)、磁卡、IC卡、加油站等終端上，我國是在上世紀(jì)80~90年代才開始在上述終端及公路收費(fèi)站等部門投入使用，如今這些領(lǐng)域所使用的數(shù)據(jù)加密算法都是基于DES標(biāo)準(zhǔn)的變體.可以說，DES算法是我國目前使用較為普遍的一種數(shù)據(jù)加密算法.

3 DES的基本設(shè)計(jì)思想

由古典密碼向現(xiàn)代密碼發(fā)展，為DES的基本思想奠定了理論基礎(chǔ).縱觀人類歷史，自從有戰(zhàn)爭史料記載以來，不難發(fā)現(xiàn)，伴隨戰(zhàn)爭使用的各種密碼也層出不窮，因此密碼技術(shù)源遠(yuǎn)流長，甚至可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)期.如果從時(shí)間上劃分，19世紀(jì)以前使用的密碼技術(shù)更像是一門藝術(shù)，被統(tǒng)稱為古典密碼.常見的古典密碼有棋盤密碼、凱撒密碼、單表置換、維吉利亞（Vigenere）密碼、威爾南（Vernam）加密算法、普萊費(fèi)爾（Playfair）加密算法、希爾（Hill）加密算法等，這些經(jīng)典的古典密碼編碼方法不外乎置換和代換兩種：密碼明文中字母本身不變，而是將字母順序重新排列，改變明文中原字母位置，這種編碼方法稱之為置換；代換則是從根本上改變了明文使用的基本字母，用其它字符來代替明文中的字符.置換密碼又可分為列置換和周期置換，代換密碼又分為單表代換（如凱撒密碼）和多表代換（如威爾南密碼、普萊費(fèi)爾密碼、希爾密碼等）.無論是置換還是代換，其核心思想都來源于古代的循環(huán)移位思想.

古典密碼發(fā)展到近代，傳統(tǒng)的循環(huán)移位思想得到擴(kuò)展，1883年，Kerchoffs第一次明確提出了編碼原則：加密算法應(yīng)建立在算法的公開不影響明文和密鑰安全的基礎(chǔ)上.這一原則已得到密碼學(xué)界的普遍認(rèn)可，成為判定密碼強(qiáng)度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上也成為了傳統(tǒng)密碼和現(xiàn)代密碼的分界線.這一論述性原則到了20世紀(jì)初期在密碼算法領(lǐng)域引起了極大的震動(dòng)，從1914年開始，許多設(shè)計(jì)新穎、構(gòu)思巧妙的密碼機(jī)陸續(xù)誕生，典型的有條形碼密碼設(shè)備M-138-T4，Kryha密碼機(jī)、哈格林密碼機(jī)、恩尼格瑪密碼機(jī)、TYPEX打字密碼機(jī)、在線密碼電傳機(jī)LorenzS242等等.

這些密碼機(jī)在設(shè)計(jì)思想上傳承了古代的循環(huán)移位思想，但又增加了擴(kuò)散模糊的概念，其本質(zhì)原理仍極為相似.而現(xiàn)代DES早期在二進(jìn)制級(jí)別時(shí)，其基本設(shè)計(jì)思想依然采用了模糊替代思想來增加密碼分析的難度.由此可見，DES基本設(shè)計(jì)原理與古典密碼的算法思想在本質(zhì)上是相同的，二者唯一的區(qū)別就在于在古典密碼體制中，數(shù)據(jù)的保密是基于加密算法的保密，DES的數(shù)據(jù)安全是基于密鑰而不是算法的保密，這也是古典密碼與現(xiàn)代密碼本質(zhì)上的區(qū)別.

4 DES的密碼體制

20世紀(jì)初期，隨著密碼學(xué)理論的不斷充實(shí)完善，密碼學(xué)從一門技藝被提升為一門科學(xué)，現(xiàn)代密碼隨之誕生，并擁有了自己獨(dú)特的密碼體制.密碼體制又稱為密碼系統(tǒng)，對(duì)信息安全中存在的數(shù)據(jù)完整性、機(jī)密性、可控性、不可依賴性和身份識(shí)別及認(rèn)證等問題有著完整的解決方案，通常需用數(shù)學(xué)方法來描述.現(xiàn)代密碼體制常采用置換法、代換法和代數(shù)法來進(jìn)行加密解密變換，也可采用上述幾種方法的組合.

密碼體制根據(jù)密鑰是否公開在技術(shù)上可分為對(duì)稱加密技術(shù)（私鑰加密）和非對(duì)稱加密技術(shù)（公鑰加密），DES則歸類于對(duì)稱密碼體制，其算法采用了典型的私鑰加密技術(shù)，加密和解密共用相同的密鑰.DES下通信雙方在選擇和保存共同密鑰的基礎(chǔ)上又要保證密鑰的私密性，這就要求他們加大相互信任度，從而保證數(shù)據(jù)的完整性和機(jī)密性.

對(duì)于DES密碼體制在有效對(duì)稱加密機(jī)制上的演進(jìn)過程可通過例子來說明.

例：假設(shè)一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中有x個(gè)用戶，求解有效加密機(jī)制及密鑰個(gè)數(shù).

解析 在具有x個(gè)用戶的通信網(wǎng)絡(luò)中，共計(jì)需要用到x(x－1)/2個(gè)密鑰，當(dāng)x的值在一定范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)稱加密機(jī)制是有效的，而當(dāng)x的值大于某一常量α?xí)r，即當(dāng)用戶群體很多、分布很廣，超出對(duì)稱加密系統(tǒng)承載能力時(shí)，密鑰的分配和保存就會(huì)出現(xiàn)問題，無法保證數(shù)據(jù)的完整和機(jī)密.

在此例中，DES在實(shí)現(xiàn)過程中必須對(duì)傳統(tǒng)對(duì)稱加密技術(shù)進(jìn)行異變，借用對(duì)機(jī)密信息進(jìn)行加密和驗(yàn)證并隨報(bào)文一起發(fā)送報(bào)文摘要（或散列值）的手段來實(shí)現(xiàn)大型通信網(wǎng)絡(luò)中密鑰的分配和保存，由此產(chǎn)生了經(jīng)典的DES算法.

DES同時(shí)又是一種典型的分組密碼，在二進(jìn)制編碼中，明文消息編碼后會(huì)有一段二進(jìn)制數(shù)字序列，將這一段序列劃分為長度為l的矢量組，每一組都在密鑰的作用下變成等長的輸出符號(hào)（數(shù)字）序列，由此實(shí)現(xiàn)明文到密文的轉(zhuǎn)換，這樣的編碼被稱為分組密碼.DES在加密時(shí)通過密鑰將長度為l的明文序列轉(zhuǎn)換成定長的密文，再利用同一密鑰逆向變換來完成密文到明文的變換，最終實(shí)現(xiàn)解密過程.

由此可見，DES作為一種現(xiàn)代密碼，已完全將數(shù)據(jù)保密建立在了密鑰的基礎(chǔ)上，而不是依賴于算法進(jìn)行保密，這也是DES得到廣泛應(yīng)用的主要原因.

5 總論

如今DES及其算法在通信等各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，尤其是在國內(nèi)，多以DES來實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的保密工作，比如用DES實(shí)現(xiàn)銀行信用卡持卡人的PIN加密傳輸過程，在IC卡與POS機(jī)之間的相互通信認(rèn)證及金融交易過程中數(shù)據(jù)包的物理地址MAC校驗(yàn)等，都要用到DES算法.

DES既是對(duì)古典密碼在算法上的延續(xù)，又是對(duì)現(xiàn)代密碼在密鑰上的驗(yàn)證；既用到了古典密碼算法的基本思想，又用到了更高級(jí)的現(xiàn)代密碼密鑰技術(shù)，在安全性上實(shí)現(xiàn)了新的突破；既能夠提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)保護(hù)，又能夠有效防止數(shù)據(jù)泄露；既擁有一定的算法復(fù)雜度，又易于理解和掌握；在編碼實(shí)現(xiàn)上既經(jīng)濟(jì)實(shí)用，又能夠被眾多領(lǐng)域共享.以上優(yōu)點(diǎn)勢必讓DES在一定時(shí)期內(nèi)保持較高的使用率.

盡管DES同時(shí)還具備算法公開、計(jì)算量小、加密速度快、加密效率高等特點(diǎn)，然而其不足之處也非常明顯，交易（通信）雙方共用同一密鑰，一旦泄露，將無法繼續(xù)保證其數(shù)據(jù)安全性，在大型網(wǎng)絡(luò)中，密鑰管理也會(huì)對(duì)用戶造成較大負(fù)擔(dān).隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷普及和升級(jí)，DES必將被其它更具優(yōu)勢的新標(biāo)準(zhǔn)（如AES）所取代.

TP309.7

A

1673-260X（2014）12-0028-02