DES加密算法的過程分析研究

◆余啟航 李斌勇 楊雄凱 姚 瑤

DES加密算法的過程分析研究

◆余啟航 李斌勇 楊雄凱 姚 瑤

（成都信息工程大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院 四川 610225）

本文圍繞DES算法的加密問題，分析了DES算法的明文分組加密和子密鑰生成過程。針對DES所涉及的核心算法模塊，分別對IP初始置換、子密鑰獲取、E盒與S盒擴(kuò)展、異或運(yùn)算、P盒置換和逆初始置換模塊進(jìn)行了深入地研究與設(shè)計。在此基礎(chǔ)上給出DES的部分核心算法的輸入與輸出實(shí)現(xiàn)，并對其安全性進(jìn)行了分析。本文所開展的研究，為深入理解DES加密算法和常規(guī)應(yīng)用加密問題，提供了可行的參考。

DES；子密鑰；置換；加密算法

0 引言

DES加密解密算法最初由美國IBM公司研究人員所設(shè)計發(fā)明，且為第一個公開的商用密碼算法標(biāo)準(zhǔn)，自誕生以來便得到了ISO的一致認(rèn)可。DES是分組密碼算法的典型代表，它的明文分組長度為64bits，密鑰長度為64bits，其中包括有8bits的奇偶校驗(yàn)，因此有效密鑰長度為56bits。DES加密解密算法使用的過程相同，且可以隨時均都可以進(jìn)行變動。它們其中有極少數(shù)被認(rèn)為是易破解的弱密鑰，但是很容易拋開它們不使用，因此其自身安全性主要依賴于有效密鑰。由于DES算法使用最大為64bits的邏輯運(yùn)算以及標(biāo)準(zhǔn)算術(shù)，它的子密鑰產(chǎn)生較為容易，可以適用于當(dāng)前大部分計算機(jī)當(dāng)中，因此近三十多年以來，其在保密通信密碼算法的研究使用中，扮演著極其重要的作用。

1 DES算法分析

DES算法加密過程首先先對明文分組進(jìn)行操作，需要加密的明文分為每塊64bits的固定大小。如圖1所示左右兩部分分別為64bits的明文分組加密過程和其16個子密鑰生成的過程。

圖1 DES加密算法流程

2 DES核心算法模塊

2.1 IP初始置換

IP初始置換，在第一輪運(yùn)算之前執(zhí)行，對輸入的分組采用如表1所示的IP初始變換，按照從左向右、從上向下進(jìn)行置換。

表1 IP初始置換

2.2子密鑰獲取流程

子密鑰的獲取流程如圖2所示。

圖2 子密鑰獲取流程

Step1：此處，用戶輸入 64 位的密鑰。根據(jù)密鑰置換表PC-1，將 64 位變成 56 位密鑰（此處去掉了奇偶校驗(yàn)位）。

Step2：PC-1 置換得到的56 位密鑰。此處密鑰被分為前28位 C0 和后28位 D0。分別對它們進(jìn)行循環(huán)左移，C0 左移得到 C1，D0 左移得到 D1。

Step3：將 C1 和 D1 合并變成 56 位。然后通過PC-2表進(jìn)行壓縮置換，得到此輪的 48 位子密鑰 K1。

Step4：再對 C1 和 D1 進(jìn)行相同的左移和壓縮置換，獲取下一輪的子密鑰……一共進(jìn)行16輪，于是可以得到 16 個 48 bits的子密鑰。

2.3 E盒擴(kuò)展

E盒擴(kuò)展置換，則是將右半部分32bits按照8行4列方式依次排列，得到一個8*4的二維矩陣，然后根據(jù)如表2所示的E盒擴(kuò)展置換表擴(kuò)展為8*6的二維矩陣。

表2 E盒擴(kuò)展

2.4異或運(yùn)算

將P盒置換的結(jié)果與最初的64bits分組的左半部分異或，然后左、右半部分交換，接著開始另一輪。

2.5 S盒擴(kuò)展

當(dāng)產(chǎn)生了48bits密鑰后就可以和明文進(jìn)行異或運(yùn)算，便可得到48bits的密文。再開始下輪的S盒迭代運(yùn)算，其功能是把6bit數(shù)據(jù)變?yōu)?bits數(shù)據(jù)，每個S盒是一個4行、16列的表。每個S盒的使用方法為：S盒收到6bits的輸入，6bits的第1個bit和最后1個bits構(gòu)成的2位二進(jìn)制為該S盒行號，中間的4bits二進(jìn)制為該S盒的列號，然后根據(jù)行號和列號查S盒定義表得到對應(yīng)的值（通常為十進(jìn)制），該值就是S盒變換的輸出，并轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制。

2.6 P盒置換

S盒代替運(yùn)算之后，輸出32bits，作為F函數(shù)最后一個變換P盒置換的輸入。將該 32bits位數(shù)據(jù)進(jìn)行P盒置換，置換后得到一個仍然是 32 bits的結(jié)果，此處可得F函數(shù)的輸出值。

2.7 逆初始置換

DES完成16輪變換后，得到64bits數(shù)據(jù)作為IP-1逆初始置換的輸入，經(jīng)過IP-1逆初始置換表（如表3所示），64bits輸入數(shù)據(jù)位置重新編排，就得到64bits的密文。

表3 逆初始置換

3 DES核心算法實(shí)現(xiàn)

3.1通過UnitoHex函數(shù)將unicode字符轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制

def UnitoHex(string):

return_string=''

for i in string:

return_string+="%02x"%ord(i)

return return_string

輸入：unicode字符串

輸出：十六進(jìn)制數(shù)據(jù)流

3.2通過_CodeIP函數(shù)對密文或明文初始置換

def _CodeIP(self,code):

changed_code=''

for i in range(64):

changed_code+=code[ip[i]-1]

return changed_code

輸入：明文或密文

輸出：對明文或密文初始置換后的64bit數(shù)據(jù)

3.3通過_KeyIP函數(shù)對密鑰初始置換。

def _KeyIP (self,key):

changed_key=''

for i in range(56):

changed_key+=key[pc1[i]-1]

return changed_key

輸入：初始密鑰

輸出：對密鑰初始置換后的56bit數(shù)據(jù)

3.4通過_EBox函數(shù)進(jìn)行E盒擴(kuò)展置換

def _EBox(self,code):

return_list=''

for i in range(48):

return_list+=code[e[i]-1]

return return_list

輸入：32bit數(shù)據(jù)

輸出：E盒擴(kuò)展置換后的48bit數(shù)據(jù)

3.5通過_Sbox函數(shù)進(jìn)行S盒代替選擇置換

def _SBox(self, key):

return_list=''

for i in range(8):

row=int(str(key[i*6])+str(key[i*6+5]),2) raw=int(str( key[i*6+1])+str(key[i*6+2])+str(key[i*6+3])+str(key[i*6+4]),2)

return_list+=self._toByte(s[i][row][raw],4)

return return_list

輸入：48bit數(shù)據(jù)

輸出：S盒代替選擇置換后的32bit數(shù)據(jù)

3.6通過_Pbox函數(shù)進(jìn)行P盒置換

def _PBox(self,code):

return_list=''

for i in range(32):

return_list+=code[p[i]-1]

return return_list

輸入：32bit數(shù)據(jù)

輸出：P盒置換后的32bit數(shù)據(jù)

3.7通過_Xor函數(shù)對數(shù)據(jù)和子密鑰進(jìn)行異或

def _Xor(self,code,key):

code_len=len(key)

return_list=''

for i in range(code_len):

if code[i]==key[i]:

return_list+='0'

else:

return_list+='1'

return return_list

輸入：E盒擴(kuò)展置換后的48bit數(shù)據(jù)和PC-2的48bit子密鑰。

輸出：異或后的48bit數(shù)據(jù)。

4 安全性分析

由于DES算法中只用到64bits密鑰中的其中56bits密鑰，而第8、16、...64bits中的8個bits并未參與DES運(yùn)算，可以發(fā)現(xiàn)即DES的安全性是基于除8、16、...64bits以外的其余56bits的排列組合才可以得到保證的。因此，在實(shí)際進(jìn)行保密通信中，應(yīng)盡量避免使用第8、16、24等bits作為有效數(shù)據(jù)位進(jìn)行加密解密，以免在進(jìn)行保密通信的系統(tǒng)中產(chǎn)生數(shù)據(jù)被破譯的隱患。

5 結(jié)束語

DES加密解密算法較為復(fù)雜，其中用到多次不同置換方式，以及進(jìn)制的轉(zhuǎn)換和有效位的采用等，這給實(shí)現(xiàn)此算法帶來了一定的難度。但是也正是因?yàn)榇?，它的安全性相比其他一般密碼算法的安全性較高。在未來進(jìn)一步研究中，應(yīng)著力研究DES有效位的使用，以及完善加密解密的過程和簡便其算法的實(shí)現(xiàn)過程，以增強(qiáng)其安全性，使之能更加廣泛地解決日常應(yīng)用加密問題。

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四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(17ZA0069)、成都信息工程大學(xué)科研基金資助項(xiàng)目(KYTZ201618)。