【信息安全】DES加密算法

作者：盐析白兔 | 2024-07-25 19:37:59

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【信息安全】DES加密算法

一、DES算法简介

DES（Data Encryption Standard）加密算法属于对称加密（对应于非对称加密）算法中的分组加密（对应于流密码）算法。

所谓对称加密，即加密与解密所用的密钥是相同的，而非对称加密中，存在公钥与私钥，公钥可解密私钥加密的数据，私钥可解密公钥加密的数据。

所谓分组加密（又叫块加密），是将明文分为字节块，然后对每个字节块进行加密最终拼接在一起得到密文（DES算法分组大小是64位），流密码是按照一个字节一个字节进行加密。

二、DES算法流程简介

DES加密算法流程：

对明文进行IP置换。
将 64bit 明文数据左右对半分为 $L_0$ （32bit）与 $R_0$ （32bit）两部分。
将 $R_0$ 直接赋值给 $L_1$ 。
将 $L_0$ 与 $f(R_0 K_1)$ 的值赋值给 $R_1$ 。
(1). 对于 $f$ 函数，首先使用 E 扩展将 32 位明文转换为 48 位。
(2). 然后用明文与所给的密钥 $K$ 进行异或。
(3). 通过 S 盒将文段压缩为 32 位。
(4). 再对文段进行 P 置换。
对2~4过程进行16轮。
IP逆置换得到密文。

具体算法流程如下面图示：

三、DES算法具体执行过程

1. IP置换

IP 置换是指按照一定的规则，将原来的64位二进制重新排序，具体置换表如下图所示：
在这里插入图片描述

图中的 Initial Permutation 对应为最开始的 IP 置换表，Final Permutation对应为最后的逆置换表。
Initial Permutation表中第一个数字 58 表示将原始明文中的 58 位放到当前的第一位，第二个数字50表示将原始明文中的50位放到当前的第二位…以此类推，通过置换表将原始明文进行置换。
具体可参见一下实例：
在这里插入图片描述

2.轮函数–E扩展置换

E 扩展置换主要功能是将 32 位的输入扩展为 48 位输出（使 32 位的 $R_0$ 能够与 48 位的 K 进行异或操作），具体操作过程可参照下图：
在这里插入图片描述

上图中的表与前面所讲的置换表功能类似，表中对应的数字 i 代表将32位的文段中第 i 位的二进制写入 i 在表中的位置。
扩展的过程也可以通过图中下方的图的规律的到，即将 32 位的文段分为 8 块，将这八块二进制文段循环排列，将每一块的最后一位放到后一块的最前面，将每一块的最前一位放到前一块的最后面，这样每一块就多加了两位，8 块总共增加了 16 位，所以文段就由原来的 32 位扩展成了 48 位。

具体例子如下图所示：

原始数据：

扩展之后的数据：

在这里插入图片描述

得到以上 48 位的数据之后，即可与密钥 K 进行异或操作了。

3.轮函数–S盒压缩处理

S盒压缩处理即是将异或操作得到的 48 位数据压缩为 32 位，具体操作如下：
在这里插入图片描述

将 48 位的数据分为 8 块 6 位的数据。
将每块 6 位数据的头和尾二进制数转换成十进制数记为行数，将中间的四位二进制数据转换成十进制记为列数。
然后通过下面的表格，根据行数和列数找到对应的十进制数，然后将该十进制数转换为四位二进制。
原来的 6 位二进制数转换成了 4 位，每块少了两位，共 8 块，在48位的基础上少了 16 位，即将原来的 48 位二进制数压缩成了32位。

具体实例可参照下图：

按照上面的表格得到 3 行 15 列数据为 13，然后将13转换为二进制即得到压缩后的数据：

在这里插入图片描述

4.轮函数–P盒置换

P盒置换操作与之前的初始置换操作相同，其置换表如下所示：
在这里插入图片描述
将 P 盒置换后的数据与 $L_0$ 进行异或操作后即得到了 $R_1$ ，对以上过程重复进行 16 次即可得到 $L_{16}$ 与 $R_{16}$ ，然后对 $L_{16}$ 与 $R_{16}$ 进行拼接将得到的数据进行IP逆置换即得到了所求的密文。