淺析DES原理
對稱密碼體制
對稱密碼體制：一種加密系統。其加密密鑰和解密密鑰是相同的，或者能夠從其中之一推知另一個。對稱密碼體制根據對明文加密方式不同分為分組密碼和流密碼。
分組密碼
分組密碼按照一定長度（如64bit、128bit）對名文分組，然後以組為單位進行加、解密。
分組密碼系統：對不同的組採用同樣的密鑰k來進行性加密、解密。
明文組：
密文：
分組密碼設計就是找到一種演算法，能在密鑰的控制下，從一個足夠大、足夠好的置換子集中簡單、迅速的選出一個置換、對當前輸入的明文數字組進行加密變換。
演算法要求：
- 分組長度足夠大，使得不同明文分組的個數2^n足夠大，以防止明文被窮舉法攻擊。
- 密鑰空間應足夠發，儘可能消除弱密鑰，從而使所有密鑰同等概率，以防窮舉密鑰攻擊，同時密鑰不能太長，以利於密鑰管理。
- 由密鑰確定的演算法要足夠複雜，充分實現明文與密鑰的擴散和混淆，沒有簡單的關係可循，要能抵抗各種已知的攻擊，差分攻擊、線性攻擊等。
- 要盡量使用適合編程的子塊和簡單的運算
- 加密解密應具有像是性。
分組密碼的一般結構
Feistel結構
- 明文P為64b的數據被平分為32b的L0和R0，如果明文數據不足64b就用一種特殊的方法填充到64b。
- +表示異或
- K表示種子密鑰64位，ki表示子密鑰，是48b的密鑰。那這裡就會有疑問了，密鑰是48b的數據，每次加密的明文是32b的數據，怎麼如何進行加密呢，這裡就是F的作用了，
- F是輪函數，在輪函數裡面會對數據進行處理，首先會對明文進行E拓展置換，然後明文就變換為48b的數據，讓後與ki進行異或，在進行S盒替換目的是在壓縮為32b數據，和P盒替換四個過程。
- 結果：Li=R(i-1) ； Ri=L(i-1)異或F(Ri-1,ki)
SP結構
F輪函數內容
F輪函數包括（E擴展置換-數據擴展為48b、數據與密鑰異或、S盒壓縮處理-數據變為32b、P盒置換）
E拓展置換
-
E拓展置換簡單來說就是把分組後的32b的數據拓展為48位數據，為了盒子密鑰進行異或。我們假設32b的數據就是如下圖排列，那麼黃色標註的數據就是添加的數據，也就是把原本8行4列的數據拓展為8行6列數據，當然數據在記憶體里肯定不是矩陣的存在，我們這樣是便於理解。
-
那麼我們先看它的拓展結果在進行解釋。
| 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 |
- 拓展原理
- 第一步：就是把32b的數據，變為8組4b的數據。
- 第二步：然後再每組後面添加下一組的第一個數據.
- 第三步：再每組數據前面添加上一組數據的最後一個數據。
- 第四步：第一組和第八組分別沒有前一組和後一組，那他們兩組就是首尾相連。就是32位數據組成一個循環的圈，那每一組都會有前驅和後繼了。
S盒壓縮處理
經過拓展的48位明文和密鑰進行異或運算後，再使用8個S盒壓縮處理得到32位數據。
- 將48位數據分為8塊，每6位壓縮為4位數據。
- 每一組數據取頭尾兩個數組成一個二位二進位數作為列，中間4位數對應行，找相應s和該位置數據就是轉換後的數據，如六位
011001取第一位和第六位是01那就是第一行，中間四位是1100那就是第十二列，假設為第一組的數據那就去找S1盒的1行12列對應數據是9，那轉換後的數據就是1001 - 注意點：行和列對應的範圍是0-3和0-15.
- s盒對應表很容易在網上尋找，這裡我也複製下來了。
- S1盒
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 14 | 4 | 13 | 1 | 2 | 15 | 11 | 8 | 3 | 10 | 6 | 12 | 5 | 9 | 0 | 7 |
| 1 | 0 | 15 | 7 | 4 | 14 | 2 | 13 | 1 | 10 | 6 | 12 | 11 | 9 | 5 | 3 | 8 |
| 2 | 4 | 1 | 14 | 8 | 13 | 6 | 2 | 11 | 15 | 12 | 9 | 7 | 3 | 10 | 5 | 0 |
| 3 | 15 | 12 | 8 | 2 | 4 | 9 | 1 | 7 | 5 | 11 | 3 | 14 | 10 | 0 | 6 | 13 |
- S2盒
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 15 | 1 | 8 | 14 | 6 | 11 | 3 | 4 | 9 | 7 | 2 | 13 | 12 | 0 | 5 | 10 |
| 1 | 3 | 13 | 4 | 7 | 15 | 2 | 8 | 14 | 12 | 0 | 1 | 10 | 6 | 9 | 11 | 5 |
| 2 | 0 | 14 | 7 | 11 | 10 | 4 | 13 | 1 | 5 | 8 | 12 | 6 | 9 | 3 | 2 | 15 |
| 3 | 13 | 8 | 10 | 1 | 3 | 15 | 4 | 2 | 11 | 6 | 7 | 12 | 0 | 5 | 14 | 9 |
- S3盒
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 10 | 0 | 9 | 14 | 6 | 3 | 15 | 5 | 1 | 13 | 12 | 7 | 11 | 4 | 2 | 8 |
| 1 | 13 | 7 | 0 | 9 | 3 | 4 | 6 | 10 | 2 | 8 | 5 | 14 | 12 | 11 | 15 | 1 |
| 2 | 13 | 6 | 4 | 9 | 8 | 15 | 3 | 0 | 11 | 1 | 2 | 12 | 5 | 10 | 14 | 7 |
| 3 | 1 | 10 | 13 | 0 | 6 | 9 | 8 | 7 | 4 | 15 | 14 | 3 | 11 | 5 | 2 | 12 |
- S4盒
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 7 | 13 | 14 | 3 | 0 | 6 | 9 | 10 | 1 | 2 | 8 | 5 | 11 | 12 | 4 | 15 |
| 1 | 13 | 8 | 11 | 5 | 6 | 15 | 0 | 3 | 4 | 7 | 2 | 12 | 1 | 10 | 14 | 9 |
| 2 | 10 | 6 | 9 | 0 | 12 | 11 | 7 | 13 | 15 | 1 | 3 | 14 | 5 | 2 | 8 | 4 |
| 3 | 3 | 15 | 0 | 6 | 10 | 1 | 13 | 8 | 9 | 4 | 5 | 11 | 12 | 7 | 2 | 14 |
- S5盒
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 2 | 12 | 4 | 1 | 7 | 10 | 11 | 6 | 8 | 5 | 3 | 15 | 13 | 0 | 14 | 9 |
| 1 | 14 | 11 | 2 | 12 | 4 | 7 | 13 | 1 | 5 | 0 | 15 | 10 | 3 | 9 | 8 | 6 |
| 2 | 4 | 2 | 1 | 11 | 10 | 13 | 7 | 8 | 15 | 9 | 12 | 5 | 6 | 3 | 0 | 14 |
| 3 | 11 | 8 | 12 | 7 | 1 | 14 | 2 | 13 | 6 | 15 | 0 | 9 | 10 | 4 | 5 | 3 |
- S6盒
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 12 | 1 | 10 | 15 | 9 | 2 | 6 | 8 | 0 | 13 | 3 | 4 | 14 | 7 | 5 | 11 |
| 1 | 10 | 15 | 4 | 2 | 7 | 12 | 9 | 5 | 6 | 1 | 13 | 14 | 0 | 11 | 3 | 8 |
| 2 | 9 | 14 | 15 | 5 | 2 | 8 | 12 | 3 | 7 | 0 | 4 | 10 | 1 | 13 | 11 | 6 |
| 3 | 4 | 3 | 2 | 12 | 9 | 5 | 15 | 10 | 11 | 14 | 1 | 7 | 6 | 0 | 8 | 13 |
- S7盒
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 4 | 11 | 2 | 14 | 15 | 0 | 8 | 13 | 3 | 12 | 9 | 7 | 5 | 10 | 6 | 1 |
| 1 | 13 | 0 | 11 | 7 | 4 | 9 | 1 | 10 | 14 | 3 | 5 | 12 | 2 | 15 | 8 | 6 |
| 2 | 1 | 4 | 11 | 13 | 12 | 3 | 7 | 14 | 10 | 15 | 6 | 8 | 0 | 5 | 9 | 2 |
| 3 | 6 | 11 | 13 | 8 | 1 | 4 | 10 | 7 | 9 | 5 | 0 | 15 | 14 | 2 | 3 | 12 |
- S8盒
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 13 | 2 | 8 | 4 | 6 | 15 | 11 | 1 | 10 | 9 | 3 | 14 | 5 | 0 | 12 | 7 |
| 1 | 1 | 15 | 13 | 8 | 10 | 3 | 7 | 4 | 12 | 5 | 6 | 11 | 0 | 14 | 9 | 2 |
| 2 | 7 | 11 | 4 | 1 | 9 | 12 | 14 | 2 | 0 | 6 | 10 | 13 | 15 | 3 | 5 | 8 |
| 3 | 2 | 1 | 14 | 7 | 4 | 10 | 8 | 13 | 15 | 12 | 9 | 0 | 3 | 5 | 6 | 11 |
P盒轉換
P盒轉換和初始轉換相似，原理是一樣的，這裡先不說轉換過程，等到下面初始置換的時候再說，現在這裡保存P盒置換表
DES
DES是分組長度為64b的分組密碼演算法。密鑰長度也是64b，其中每8b有一個奇偶校驗位，所以有效長度為56b。採用Feistel結構。
DES演算法框圖
初始置換IP和初始逆置換IP：將明文數據用初始置換IP置換，得到一個亂序的64b明文分組，然後分組，經過16輪完全類似的迭代運算後，將所得的左右數據合併，最後使用初始逆置換IO置換，產生密文數據組。
初始置換
我們拿到的64為數據首先要進行初始置換，那麼我們拿到的應該是一組有含義的數據我們假設是64個0、1二進位流，那麼初始置換就是這些數據根據下表從新排列一邊，這一步是很簡單的，如我們對應下表，應該把源數據的第58個數據提到第一個位置，把第50個數據提到第二的數據，就是根據下表進行對應位置的轉換。
初始置換IP
| 58 | 50 | 42 | 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 |
16輪迭代加密
上面基本已經講了，在這裡就說一下這個子密鑰的生成。
子密鑰的生成
密鑰為64位的密鑰，出去8位校驗位，剩餘的56位參與運算。
首先我們要用一個PC-1表把密鑰的8位校驗位去除，並且重新排序，這個和明文的初始置換是差不多的。
PC-1表
| 57 | 49 | 41 | 33 | 25 | 17 | 9 |
| 1 | 58 | 50 | 42 | 34 | 26 | 18 |
| 10 | 2 | 59 | 51 | 43 | 35 | 27 |
| 19 | 11 | 3 | 60 | 52 | 44 | 36 |
| 63 | 55 | 47 | 39 | 31 | 23 | 15 |
| 7 | 62 | 54 | 46 | 38 | 30 | 22 |
| 14 | 6 | 61 | 53 | 45 | 37 | 29 |
| 21 | 13 | 5 | 28 | 20 | 12 | 4 |
然後我們把著56位的密鑰，分為28位的兩組數據，染後根據移位次數表分別左移，如我們要求第一次的子密鑰，就把這兩組28位密鑰分別左移1位然後根據PC-2置換就是第一次的子密鑰了，求第二次的子密鑰就是在第一次的兩組上在分別左移2位，在用PC-2置換回來，就是k2了。不知道有有沒有寫明白。
| 第i次迭代 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 循環左移次數 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 第i次迭代 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| 循環左移次數 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 |
PC-2表
| 14 | 17 | 11 | 24 | 1 | 5 |
| 3 | 28 | 15 | 6 | 21 | 10 |
| 23 | 19 | 12 | 4 | 26 | 8 |
| 16 | 7 | 27 | 20 | 13 | 2 |
| 41 | 52 | 31 | 37 | 47 | 55 |
| 30 | 40 | 51 | 45 | 33 | 48 |
| 44 | 49 | 39 | 56 | 34 | 53 |
| 46 | 42 | 50 | 36 | 29 | 32 |
IP-1置換
把得到的R16和L16組合數據根據逆置換表置換就完成了。
逆置換IP-1
| 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 |
總結
我們得到64b的明文（不足64b的補足），我們首先使用IP置換處理一下明文，然後把他們分為兩組32b的數據，然後兩組數據進入16次迭代運算，16次迭代中每次有一組數據和一組子密鑰（48b）進行異或運算，首先要把數據進行E擴展變為48b數據，然後進行異或，在經過S盒壓縮處理，最後經過P置換，這就完成了F輪函數的過程，最後和另一組數據進行異或，完成一輪迭代，最後進行IP-1置換，完成加密，得到密文。
