DES加密算法原理简介

简化版流程

3.1 数据加密标准DES

DES算法将明文按64位分组，使用的密钥长度为64位(实际参与加密的有56位)。

密钥的第8、16、24、…、64位作为校验位，不参与加密

DES的加密思想是对密钥和明文都进行一系列复杂变换处理，中间分为多个小段单独异或加密，最后再合成变换得到最终密文。符合所谓的混淆原则和扩散原则。

混淆原则：密文与其对应的明文与密钥的关系足够复杂。

扩散原则：密文中的每一位都受到明文和密钥中的尽可能多位的影响，以隐蔽明文

的统计特性和结构规律。

3.1.1 子密钥

DES中的密钥不是直接使用的，要经过一系列变换才能拿去跟明文做异或。

提取有效位(56位)

DES中密钥的转换表（DesTransform[56]）

把64位密钥提取出56位。(去除校验位)

后续会用到各种转换表，这里简单解释一下，比如第一行第一列的“57”，意思就是把原本数据表中第57个数据填到转换后的新表中的第一行第一列这个位置。
旋转左移，16种结果

针对DES子密钥每一轮的旋转次数（Round轮，Rotations旋转次数）(DesRotations)

为了得到16个不同的子密钥，先将上一步得到的56位密钥分为两组各28位，接着根据该旋转表，分别旋转左移对应位数，旋转完再合并，这样就得到一组新子密钥，而下一组是在前一组的基础上再次对半分并旋转左移获得的。最终生成16组子密钥。
置换选择

DES子密钥的置换选择(Despermuted[48])

其实就是进一步缩小密钥位数。把上一步获得的16组子密钥分别通过该转换表。

于是，我们得到了16组各48位的子密钥。

3.1.2 加密解密

明文按照64位一组分组。以下操作针对一组64位的明文。

初始置换

DES中数据的初始置换（DesInitial[64]）

先将明文按转换表打乱初始化，并将处理后的数据分为两组各32位，记为L0和R0。
扩展置换

DES中数据块的扩展置换（DesExpansion[48]）

将Ri由32位转换扩展到48位。

目的是在加密数据的过程中制造一些雪崩效应。

使用数据块中的1位，将在下一步操作中影响更多位，从而产生扩散效果。
XOR

一旦扩展置换完成，便将所得48位数据Ri与先前的子密钥Ki做XOR异或运算。

迭代16次，每次使用对应次序的子密钥。
S盒替换

S盒替换表一共有8个。主要作用是重新把48位数据压缩为32位。

S盒为数据增加了不确定性，从而提升了安全性。

将上一步扩展后获得的48位数据Ri按6位一组，分成8组。

例：

假设我们取第一组数据按上图处理，得到第三行，第15列，则在第一张S盒替换表中找到对应位置的数，这里我们假设找到的数是13，便再将其转换为二进制数1101，这样，便完成了6位数据压缩为4位数据的过程。
P盒置换

DES中数据块的P盒置换

将上一步获得的32位数据经过P盒置换表。
两组异或

从第2步到第5步的操作定义为一个函数f。假设我们回到一开始获得的 R 0 R_0 R0，经过函数f后，输出的应该是一组32位的数据，我们设其为 R 0 ′ R_0' R0′。接下来的操作就是将一开始的另一组数据 L 0 L_0 L0与 R 0 ′ R_0' R0′进行XOR异或操作，结果值设为 L 0 ′ L_0' L0′。
交换

现在，经过一系列变换，我们有了新的左右分组 L 0 ′ L_0' L0′和 R 0 ′ R_0' R0′，于是，我们交换两组的位置，即设 R 1 = L 0 ′ R_1=L_0' R1=L0′， L 1 = R 0 ′ L_1=R_0' L1=R0′。
迭代

分组 L i L_i Li和 R i R_i Ri重复第2步到第7步的操作，总共要完成16轮的迭代。其中，最后一轮中左右分组不用交换。

第16轮的 R 16 R_{16} R16在左边， L 16 L_{16} L16在右边。
连接

将最后得到的左分组和右分组重新合并，得到一组64位数据。
最终置换

DES中数据块的最终置换

最终置换其实就是初始置换的逆转换。数据经过该转换表得到最终结果。

总结：

对于这第1步到第10步，如果输入的是明文，输出就是密文；如果按照从最后一步倒回来输入密文，输出就是明文。

加密过程：
1、以K1加密
2、以K2解密
3、以K3加密
解密过程（密钥顺序及应用方向与加密过程相反）：
1、以K3解密
2、以K2加密
3、以K1解密
说明：K1、K2、K3是密钥。

整个流程可以用下图表示：

参考资料：

数据加密算法–详解DES算法原理与实现

DES加密算法-《信息安全技术》课程微课设计

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