[DES]DES加密原理

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DES加密算法的原理. (转)
一.本文實用於初學者,目的在於幫助大家熟悉一些系統底層的知識。
二.本文只是為了讓廣大網友共同提高一些基礎知識,本人決無賣弄之意,只供需要這方面知識的讀者閱讀,如果你是高手,或者不需要這方面知識,請跳過。
三.本文是一篇翻譯文章,如有雷同,敬請諒解。
四.本文歡迎傳抄轉載,但是不要用於任何商業用途。請尊重作者勞動,也歡迎來信交流 fnlq@263.net

 

【正文】

DES算法理論

本 世紀五十年代以來,密碼學研究領域出現了最具代表性的兩大成就。其中之一就是1971年美國學者塔奇曼 (Tuchman)和麥耶(Meyer)根據信息論創始人香農(Shannon)提出的「多重加密有效性理論」創立的,後於1977年由美國國家標準局頒 布的數據加密標準。
DES密碼實際上是Lucifer密碼的進一步發展。它是一種採用傳統加密方法的區組密碼。

它的算法是對稱的,既可用於加密又可用於解密。

美國國家標準局1973年開始研究除國防部外的其它部門的計算機系統的數據加密標準,於1973年5月15日和1974年8月27日先後兩次向公眾發出了徵求加密算法的公告。 加密算法要達到的目的通常稱為DES密碼算法要求主要為以下四點:

提 供高質量的數據保護,防止數據未經授權的洩露和未被察覺的修改;具有相當高的複雜性,使得破譯的開銷超過可能獲得的利益,同時又要便於理解和掌握 DES密碼體制的安全性應該不依賴於算法的保密,其安全性僅以加密密鑰的保密為基礎實現經濟,運行有效,並且適用於多種完全不同的應用。

1977年1月,美國政府頒布:採納IBM公司設計的方案作為非機密數據的正式數據加密標準(DES棗Data Encryption Standard)。

   目前在這裡,隨著三金工程尤其是金卡工程的啟動,DES算法在POS、ATM、磁卡及智能卡(IC卡)、加油站、高速公路收費站等領域被廣泛應用,以此 來實現關鍵數據的保密,如信用卡持卡人的PIN的加密傳輸,IC卡與POS間的雙向認證、金融交易數據包的MAC校驗等,均用到DES算法。

  DES算法的入口參數有三個:Key、Data、Mode。其中Key為8個字節共64位,是DES算法的工作密鑰;Data也為8個字節64位,是要被加密或被解密的數據;Mode為DES的工作方式,有兩種:加密或解密。

   DES算法是這樣工作的:如Mode為加密,則用Key 去把數據Data進行加密, 生成Data的密碼形式(64位)作為DES的輸出結果;如Mode為解密,則用Key去把密碼形式的數據Data解密,還原為Data的明碼形式(64 位)作為DES的輸出結果。在通信網絡的兩端,雙方約定一致的Key,在通信的源點用Key對核心數據進行DES加密,然後以密碼形式在公共通信網(如電 話網)中傳輸到通信網絡的終點,數據到達目的地後,用同樣的Key對密碼數據進行解密,便再現了明碼形式的核心數據。這樣,便保證了核心數據(如PIN、 MAC等)在公共通信網中傳輸的安全性和可靠性。

  通過定期在通信網絡的源端和目的端同時改用新的Key,便能更進一步提高數據的保密性,這正是現在金融交易網絡的流行做法。

  DES算法詳述

  DES算法把64位的明文輸入塊變為64位的密文輸出塊,它所使用的密鑰也是64位,其功能是把輸入的64位數據塊按位重新組合,並把輸出分為L0、R0兩部分,每部分各長32位,其置換規則見下表:

58,50,12,34,26,18,10,2,60,52,44,36,28,20,12,4,
  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,

  即將輸入的第58位換到第一位,第50位換到第2位,…,依此類推,最後一位是原來的第7位。L0、R0則是換位輸出後的兩部分,L0是輸出的左 32位,R0 是右32位,例:設置換前的輸入值為D1D2D3……D64,則經過初始置換後的結果 為:L0=D550…D8;R0=D57D49…D7。

  經過26次迭代運算後。得到L16、R16,將此作為輸入,進行逆置換,即得到密文輸出。逆置換正好是初始置的逆運算,例如,第1位經過初始置換後,處於第40位,而通過逆置換,又將第40位換回到第1位,其逆置換規則如下表所示:

  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,

放大換位表

  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,

單純換位表

  16,7,20,21,29,12,28,17, 1,15,23,26, 5,18,31,10,
  2,8,24,14,32,27, 3, 9,19,13,30, 6,22,11, 4,25,

  在f(Ri,Ki)算法描述圖中,S1,S2…S8為選擇函數,其功能是把6bit數據變為4bit數據。下面給出選擇函數Si(i=1,2……8)的功能表:
選擇函數Si

S1:
  14,4,13,1,2,15,11,8,3,10,6,12,5,9,0,7,
  0,15,7,4,14,2,13,1,10,6,12,11,9,5,3,8,
  4,1,14,8,13,6,2,11,15,12,9,7,3,10,5,0,
  15,12,8,2,4,9,1,7,5,11,3,14,10,0,6,13,
S2:
  15,1,8,14,6,11,3,4,9,7,2,13,12,0,5,10,
  3,13,4,7,15,2,8,14,12,0,1,10,6,9,11,5,
  0,14,7,11,10,4,13,1,5,8,12,6,9,3,2,15,
  13,8,10,1,3,15,4,2,11,6,7,12,0,5,14,9,
S3:
  10,0,9,14,6,3,15,5,1,13,12,7,11,4,2,8,
  13,7,0,9,3,4,6,10,2,8,5,14,12,11,15,1,
  13,6,4,9,8,15,3,0,11,1,2,12,5,10,14,7,
  1,10,13,0,6,9,8,7,4,15,14,3,11,5,2,12,
S4:
  7,13,14,3,0,6,9,10,1,2,8,5,11,12,4,15,
  13,8,11,5,6,15,0,3,4,7,2,12,1,10,14,9,
  10,6,9,0,12,11,7,13,15,1,3,14,5,2,8,4,
  3,15,0,6,10,1,13,8,9,4,5,11,12,7,2,14,
S5:
  2,12,4,1,7,10,11,6,8,5,3,15,13,0,14,9,
  14,11,2,12,4,7,13,1,5,0,15,10,3,9,8,6,
  4,2,1,11,10,13,7,8,15,9,12,5,6,3,0,14,
  11,8,12,7,1,14,2,13,6,15,0,9,10,4,5,3,
S6:
  12,1,10,15,9,2,6,8,0,13,3,4,14,7,5,11,
  10,15,4,2,7,12,9,5,6,1,13,14,0,11,3,8,
  9,14,15,5,2,8,12,3,7,0,4,10,1,13,11,6,
  4,3,2,12,9,5,15,10,11,14,1,7,6,0,8,13,
S7:
  4,11,2,14,15,0,8,13,3,12,9,7,5,10,6,1,
  13,0,11,7,4,9,1,10,14,3,5,12,2,15,8,6,
  1,4,11,13,12,3,7,14,10,15,6,8,0,5,9,2,
  6,11,13,8,1,4,10,7,9,5,0,15,14,2,3,12,
S8:
  13,2,8,4,6,15,11,1,10,9,3,14,5,0,12,7,
  1,15,13,8,10,3,7,4,12,5,6,11,0,14,9,2,
  7,11,4,1,9,12,14,2,0,6,10,13,15,3,5,8,
  2,1,14,7,4,10,8,13,15,12,9,0,3,5,6,11,

在此以S1為例說明其功能,我們可以看到:在S1中,共有4行數據,命名為0,1、2、3行;每行有16列,命名為0、1、2、3,……,14、15列。

  現設輸入為: D=D1D2D3D4D5D6
令:列=D2D3D4D5
  行=D1D6

  然後在S1表中查得對應的數,以4位二進製表示,此即為選擇函數S1的輸出。下面給出子密鑰Ki(48bit)的生成算法

   從子密鑰Ki的生成算法描述圖中我們可以看到:初始Key值為64位,但DES算法規定,其中第8、16、……64位是奇偶校驗位,不參與 DES運算。故Key 實際可用位數便只有56位。即:經過縮小選擇換位表1的變換後,Key 的位數由64 位變成了56位,此56位分為C0、D0兩部分,各28位,然後分別進行第1次循環左移,得到C1、D1,將C1(28位)、D1(28位)合併得到56 位,再經過縮小選擇換位2,從而便得到了密鑰K0(48位)。依此類推,便可得到K1、K2、……、K15,不過需要注意的是,16次循環左移對 應的左移位數要依據下述規則進行:

循環左移位數
1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1
  以上介紹了DES算法的加密過程。DES算法的解密過程是一樣的,區別僅僅在於第一次迭代時用子密鑰K15,第二次K14、……,最後一次用K0,算法本身並沒有任何變化。
DES算法具有極高安全性,到目前為止,除了用窮舉搜索法對DES算法進行攻擊外,還沒有發現更有效的辦法。而56位長的密鑰的窮舉空間為256,這意味 著如果一台計算機的速度是每一秒種檢測一百萬個密鑰,則它搜索完全部密鑰就需要將近2285年的時間,可見,這是難以實現的,當然,隨著科學技術的發展, 當出現超高速計算機後,我們可考慮把DES密鑰的長度再增長一些,以此來達到更高的保密程度。

   由上述DES算法介紹我們可以看到:DES算法中只用到64位密鑰中的其中56位,而第8、16、24、……64位8個位並未參與DES運算, 這一點,向我們提出了一個應用上的要求,即DES的安全性是基於除了8,16,24,……64位外的其餘56位的組合變化256才得以保證的。因 此,在實際應用中,我們應避開使用第8,16,24,……64位作為有效數據位,而使用其它的56位作為有效數據位,才能保證DES算法安全可靠 地發揮作用。如果不瞭解這一點,把密鑰Key的8,16,24,….. .64位作為有效數據使用,將不能保證DES加密數據的安全性,對運用DES來達到保密作用的系統產生數據被破譯的危險,這正是DES算法在應用上的誤 區,是各級技術人員、各級領導在使用過程中應絕對避免的,而當今各金融部門及非金融部門,在運用DES工作,掌握DES工作密鑰Key的領導、主管們,極 易忽略,給使用中貌似安全的系統,留下了被人攻擊、被人破譯的極大隱患。
DES算法應用誤區的驗證數據

  筆者用Turbo C編寫了DES算法程序,並在PC機上對上述的DES 算法的應用誤區進行了騅,其驗證數據如下:

Key: 0x30 0x30 0x30 0x30……0x30(8個字節)
Data: 0x31 0x31 0x31 0x31……0x31(8個字節)
Mode: Encryption
結果:65 5e a6 28 cf 62 58 5f

   如果把上述的Key換為8個字節的0x31,而Data和Mode均不變,則執行DES 後得到的密文完全一樣。類似地,用Key:8個0x32和用Key:8個0x33 去加密Data (8 個0x31),二者的圖文輸出也是相同的:5e c3 ac e9 53 71 3b ba
我們可以得到出結論:
Key用0x30與用0x31是一樣的;
Key用0x32與用0x33是一樣的,……

  當Key由8個0x32換成8個0x31後,貌似換成了新的Key,但由於0x30和0x31僅僅是在第8,16,24……64有變化,而DES算法並不使用Key的第8,16,……64位作為Key的有效數據位,故:加密出的結果是一樣的。
DES解密的驗證數據:

Key: 0x31 0x31……0x31(8個0x31)
Data: 65 5e a6 28 cf 62 58 5f
Mode: Decryption
結果:0x31 0x31……0x31(8個0x31)

  由以上看出:DES算法加密與解密均工作正確。唯一需要避免的是:在應用中,避開使用Key的第8,16……64位作為有效數據位,從而便避開了DES 算法在應用中的誤區。
避開DES算法應用誤區的具體操作

   在DES密鑰Key的使用、管理及密鑰更換的過程中,應絕對避開DES 算法的應用誤區,即:絕對不能把Key的第8,16,24……64位作為有效數據位,來對Key 進行管理。這一點,特別推薦給金融銀行界及非金融業界的領導及決策者們,尤其是負責管理密鑰的人,要對此點予以高度重視。有的銀行金融交易網絡,利用定期 更換DES密鑰Key的辦法來進一步提高系統的安全性和可靠性,如果忽略了上述應用誤區,那麼,更換新密鑰將是徒勞的,對金融交易網絡的安全運行將是十分 危險的,所以更換密鑰一定要保證新Key與舊Key真正的不同,即除了第8,16,24,…64位外其它位數據發生了變化,請務必對此保持高度重視!

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