DES算法缺陷和改进

DES是个经典的算法，从1974年IBM发明DES算法开始，它应经被广泛应用全世界的金融服务和其他工业中，但是它的缺点也是很明显的。下面我们就从它的缺点说起。

 

DES第一个缺点就是密钥长度过短。

DES的加密单位仅有64位二进制，而且其中某些位还要削于奇偶校验或其他通讯开销，有效密钥只有56位，这种特性必然降低了密码体制的安全性。因此，人们会对56位密钥的安全性产生质疑，那么56位密钥是否足够，已成为人们争论的焦点之一。

不幸的是，随着时间推移，各种能够明显降低，通过暴力破解来发现DES密钥的捷径被发现。并且随着计算机变得越来越快，越来越强大，56位密钥被认为对于高安全性的程序是不够长的。鉴于这些严重的缺点，NIST在1997年放弃了对DES的官方支持，并且开始研究它的替代者，被称为高级加密标准（Advanced Encryption Standard，简称AES）。

为了强调大于56位密钥对高强度安全的重要性，RAS数据安全（RSA Data Security）从1997年早期就发起了一系列的DES攻击竞赛。1998年电子前沿基金会（Electronic Frontier Foundation）在不到三天的时间里攻破了DES，赢得了RSA DES挑战II-2竞赛，EFF（电子前沿基金会缩写）用了一种专门开发的计算机，叫做DES破解者，它的造价不到25万美元。它的加密芯片能够使DES破解者有每秒钟产生880亿密钥的能力。更近一些，在1999年早期，分布式网络（Distributed. Net）创纪录的用22小时15分钟，利用DES破解者和全世界接近10万台电脑组成的网络赢得了RSA DES挑战III竞赛。DES破解者和联网电脑合起来每秒能够测试2450亿的密钥。另外，已经被证实，可以组建花费10万美元的硬件设施，以使其在3.5小时内攻破DES。这恰好验证了现在任何组织，只要利用现代化的资源就可以轻松破解DES。

DES还有一个缺点就是存在弱密钥。

 

在DES算法中存在12个半弱密钥和4个弱密钥。由于在子密钥的产生过程中，密钥被分成了2个部分，如果这2个部分分成了全0或全l，那么每轮产生的子密钥都是相同的，当密钥是全0或全l，或者一半是l或0时，就会产生弱密钥或半弱密钥，DES算法的安全性就会变弱。在设定密钥时应避免弱密钥或半弱密钥的出现。

说了这么多DES的坏话，其实只要你对DES稍加调教，他还会变成一个听话的孩子的。下面是我对它的改进。

其实对于DES的缺点暴露了也不是一天两天了，也有很多应对的措施，如果3-DES。 受到3-DES的启发，我设计出了N-DES的算法，即密钥的个数是用法自定义的。

        3DES使用K1、K2、K3对同一组明文进行多重加密，密钥长度为168（56×3）。具体实现过程如图1所示：

 

图1  3-DES加解密

（a）加密过程；（b）解密过程

虽然在3-DES中密钥位数为168位，但是对于现在的计算机来说，还是破解的可能。

NES中之所以带有N，意指密钥个数不确定之意，在加密时手动输入密钥的长度，首先就达到了一次一密的效果。只要增加了密钥的位数，就会使破解的难度成指数增长，然而破解者根本就不知道密钥的长度，使穷举的时间愈加延长。此外，此算法使用外部文件来存取密钥，基于此，还可以用来做签名。

 

 

 

 N-DES的具体实现过程是这样的：首先密钥分为两种，一种是默认密钥，一种是随机密钥；默认密钥只有64位，在程序中是固定的（当然，也可以是随时更改的，为了实现方便，我把它固定了），随机密钥有(N-1)×64位（确切的说是(N-1)×56位，因为每个密钥中有8个校验位）；加密时，用户输入随机密钥个数m，程序进行(m+1)次加密（因为还有一个固定密钥），同时程序生成key.txt来保存密钥；解密时，程序读取固定密钥和key.txt中的密钥进行解密。N-DES的加解密过程如下图：

图2   N-DES加密过程

 

（a）加密过程   （b）解密过程

这样理论上密钥的个数就是无限大的，当然受制于运算时间，不会设置得太大，在测试中3KB的文本文件，用了11次加密后，加密的时间大概有2秒之久，这在处理大数据肯定会有一个漫长的等待，更不用说我们将密钥的长度增大时。还有对于外部密钥文件的保存也是个需要考虑的问题。