深入理解并实现DES算法

一、DES简介

• DES算法属于分组加密算法
• 信息按照固定长度进行分组，分组长度为64位
• 混淆和扩散是它采用的两个最重要的安全特性
  • 混淆是指通过密码算法使明文和密文以及密钥的关系非常复杂，无法从数学上描述或者统计。
  • 扩散是指明文和密钥中的每一位信息的变动，都会影响到密文中许多位信息的变动，从而隐藏统计上的特性，增加密码的安全。

需要注意的地方是掌握DES算法的16轮加、解密流程以及子密钥的产生流程。

二、DES实现大纲

在我的另一篇博客《加密算法之对称加密–DES》已经提到过DES算法的大致过程，整个流程如下图：

为了深入理解整个流程，我们将细化讲解DES算法里十六轮迭代变化中的子密钥生成以及F函数。

三、DES算法之子密钥生成

1. 子密钥生成流程

流程图

子密钥置换选择1（把64位的密钥变为56位长）

假设原密钥为$K_s=k_1,k_2,k_3,......,k_{64}$

DES算法的实际密钥长度为56，因为64位原密钥每8位的最后一位，即第8，16，24，32，40，48，56，64位为校验位。通过如下的置换规则，将实际的$56$为位密钥选择出来并置乱：
$$\begin{array}{lllllll}57& 49& 41& 33& 25& 17& 9\\ 1& 58& 50& 42& 34& 26& 18\\ 10& 2& 59& 51& 43& 35& 27\\ 19& 11& 3& 60& 52& 44& 36\\ 63& 55& 47& 39& 31& 23& 15\\ 7& 62& 54& 46& 38& 30& 22\\ 14& 6& 61& 53& 45& 37& 29\\ 21& 13& 5& 28& 20& 12& 4\end{array}$$

因此通过置换选择1之后，56位密钥为$K_{s^{\prime }}=k_1,k_2,k_3......k_{56}$,其中$k_1=K_{s[57]},k_2=K_{s[49]},k_3=K_{s[41]},......k_{56}=K_{s[4]}$。

子密钥迭代变换

实际密钥$K_{s^{\prime }}=k_1,k_2,k_3......k_{56}$

（1）分组：将56位实际密钥分为Ci和Di两组

• $C_i=k_1,k_2,......,k_{28}$
• $D_i=k_{29},k_{30},......k_{56}$

（2）循环移位（左移）

• 移位判断表：
  $$\begin{array}{llll}1& 1& 9& 1\\ 2& 1& 10& 2\\ 3& 2& 11& 2\\ 4& 2& 12& 2\\ 5& 2& 13& 2\\ 6& 2& 14& 2\\ 7& 2& 15& 2\\ 8& 2& 16& 1\end{array}$$
  第一列和第三列代表迭代次数，第二列和第四列代表对应的循环左移位数。
• 第1，2，9，16轮迭代时循环左移一位，其余循环左移两位
• 最终得到:
  • 循环左移一位：$C_{i^{\prime }}=k_2$