DES算法理论

DES算法理论

本世纪五十年代以来，密码学研究领域出现了最具代表性的两大成就。其中之一就是1971年美国学者塔奇曼 （Tuchman）和麦耶（Meyer）根据信息论创始人香农（Shannon）提出的「多重加密有效性理论」创立的，后於1977年由美国国家标準局颁布的数据加密标準。
DES密码实际上是Lucifer密码的进一步发展。它是一种採用传统加密方法的区组密码。它的算法是对称的，既可用於加密又可用於解密。

美国国家标準局1973年开始研究除国防部外的其它部门的计算机系统的数据加密标準，於1973年5月15日和1974年8月27日先后两次向公眾发出了徵求加密算法的公告。 加密算法要达到的目的通常称為DES密码算法要求主要為以下四点：

提供高质量的数据保护，防止数据未经授权的洩露和未被察觉的修改；具有相当高的复杂性，使得破译的开销超过可能获得的利益，同时又要便於理解和掌握 DES密码体制的安全性应该不依赖於算法的保密，其安全性仅以加密密钥的保密為基础实现经济，运行有效，并且适用於多种完全不同的应用。

1977年1月，美国政府颁布：採纳IBM公司设计的方案作為非机密数据的正式数据加密标準（DES枣Data Encryption Standard）。

　　目前在这裡，随著三金工程尤其是金卡工程的啟动，DES算法在POS、ATM、磁卡及智能卡（IC卡）、加油站、高速公路收费站等领域被广泛应用，以此来实现关键数据的保密，如信用卡持卡人的PIN的加密传输，IC卡与POS间的双向认证、金融交易数据包的MAC校验等，均用到DES算法。

　　DES算法的入口参数有三个：Key、Data、Mode。其中Key為8个字节共64位，是DES算法的工作密钥；Data也為8个字节64位，是要被加密或被解密的数据；Mode為DES的工作方式，有两种：加密或解密。

　　DES算法是这样工作的：如Mode為加密，则用Key 去把数据Data进行加密， 生成Data的密码形式（64位）作為DES的输出结果；如Mode為解密，则用Key去把密码形式的数据Data解密，还原為Data的明码形式（64位）作為DES的输出结果。在通信网络的两端，双方约定一致的Key，在通信的源点用Key对核心数据进行DES加密，然后以密码形式在公共通信网（如电话网）中传输到通信网络的终点，数据到达目的地后，用同样的Key对密码数据进行解密，便再现了明码形式的核心数据。这样，便保证了核心数据（如PIN、MAC等）在公共通信网中传输的安全性和可靠性。

　　通过定期在通信网络的源端和目的端同时改用新的Key，便能更进一步提高数据的保密性，这正是现在金融交易网络的流行做法。

　　DES算法详述

　　DES算法把64位的明文输入块变為64位的密文输出块，它所使用的密钥也是64位,其功能是把输入的64位数据块按位重新组合，并把输出分為L0、R0两部分，每部分各长32位，其置换规则见下表：

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,

　　即将输入的第58位换到第一位，第50位换到第2位，...，依此类推，最后一位是原来的第7位。L0、R0则是换位输出后的两部分，L0是输出的左32位，R0 是右32位，例：设置换前的输入值為D1D2D3......D64，则经过初始置换后的结果為：L0=D550...D8；R0=D57D49...D7。

　　经过26次迭代运算后。得到L16、R16，将此作為输入，进行逆置换，即得到密文输出。逆置换正好是初始置的逆运算，例如，第1位经过初始置换后，处於第40位，而通过逆置换，又将第40位换回到第1位，其逆置换规则如下表所示：

　　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,

放大换位表

　　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,

单纯换位表

　　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)算法描述图中，S1,S2...S8為选择函数，其功能是把6bit数据变為4bit数据。下面给出选择函数Si(i=1,2......8)的功能表：
选择函数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為例说明其功能，我们可以看到：在S1中，共有4行数据，命名為0，1、2、3行；每行有16列，命名為0、1、2、3，......，14、15列。

　　现设输入為： D＝D1D2D3D4D5D6
令：列＝D2D3D4D5
　　行＝D1D6

　　然后在S1表中查得对应的数，以4位二进製表示，此即為选择函数S1的输出。下面给出子密钥Ki(48bit)的生成算法

　　从子密钥Ki的生成算法描述图中我们可以看到：初始Key值為64位，但DES算法规定，其中第8、16、......64位是奇偶校验位，不参与DES运算。故Key 实际可用位数便只有56位。即：经过缩小选择换位表1的变换后，Key 的位数由64 位变成了56位，此56位分為C0、D0两部分，各28位，然后分别进行第1次循环左移，得到C1、D1，将C1（28位）、D1（28位）合併得到56位，再经过缩小选择换位2，从而便得到了密钥K0（48位）。依此类推，便可得到K1、K2、......、K15，不过需要注意的是，16次循环左移对应的左移位数要依据下述规则进行：

循环左移位数
1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1
　　以上介绍了DES算法的加密过程。DES算法的解密过程是一样的，区别仅仅在於第一次迭代时用子密钥K15，第二次K14、......，最后一次用K0，算法本身并没有任何变化。
DES算法具有极高安全性，到目前為止，除了用穷举搜索法对DES算法进行攻击外，还没有发现更有效的办法。而56位长的密钥的穷举空间為256，这意味著如果一台计算机的速度是每一秒种检测一百万个密钥，则它搜索完全部密钥就需要将近2285年的时间，可见，这是难以实现的，当然，随著科学技术的发展，当出现超高速计算机后，我们可考虑把DES密钥的长度再增长一些，以此来达到更高的保密程度。

　　由上述DES算法介绍我们可以看到：DES算法中只用到64位密钥中的其中56位，而第8、16、24、......64位8个位并未参与DES运算，这一点，向我们提出了一个应用上的要求，即DES的安全性是基於除了8，16，24，......64位外的其餘56位的组合变化256才得以保证的。因此，在实际应用中，我们应避开使用第8，16，24，......64位作為有效数据位，而使用其它的56位作為有效数据位，才能保证DES算法安全可靠地发挥作用。如果不瞭解这一点，把密钥Key的8，16，24，..... .64位作為有效数据使用，将不能保证DES加密数据的安全性，对运用DES来达到保密作用的系统產生数据被破译的危险，这正是DES算法在应用上的误区，是各级技术人员、各级领导在使用过程中应绝对避免的，而当今各金融部门及非金融部门，在运用DES工作，掌握DES工作密钥Key的领导、主管们，极易忽略，给使用中貌似安全的系统，留下了被人攻击、被人破译的极大隐患。
DES算法应用误区的验证数据

　　笔者用Turbo C编写了DES算法程序，并在PC机上对上述的DES 算法的应用误区进行了騅，其验证数据如下：

Key: 0x30 0x30 0x30 0x30......0x30（8个字节）
Data: 0x31 0x31 0x31 0x31......0x31（8个字节）
Mode: Encryption
结果：65 5e a6 28 cf 62 58 5f

　　如果把上述的Key换為8个字节的0x31，而Data和Mode均不变，则执行DES 后得到的密文完全一样。类似地，用Key:8个0x32和用Key:8个0x33 去加密Data （8 个0x31），二者的图文输出也是相同的：5e c3 ac e9 53 71 3b ba
我们可以得到出结论：
Key用0x30与用0x31是一样的；
Key用0x32与用0x33是一样的，......

　　当Key由8个0x32换成8个0x31后，貌似换成了新的Key，但由於0x30和0x31仅仅是在第8，16，24......64有变化，而DES算法并不使用Key的第8，16，......64位作為Key的有效数据位，故：加密出的结果是一样的。
DES解密的验证数据：

Key: 0x31 0x31......0x31（8个0x31）
Data: 65 5e a6 28 cf 62 58 5f
Mode: Decryption
结果：0x31 0x31......0x31（8个0x31）

　　由以上看出：DES算法加密与解密均工作正确。唯一需要避免的是：在应用中，避开使用Key的第8，16......64位作為有效数据位，从而便避开了DES 算法在应用中的误区。
避开DES算法应用误区的具体操作

　　在DES密钥Key的使用、管理及密钥更换的过程中，应绝对避开DES 算法的应用误区，即：绝对不能把Key的第8，16，24......64位作為有效数据位，来对Key 进行管理。这一点，特别推荐给金融银行界及非金融业界的领导及决策者们，尤其是负责管理密钥的人，要对此点予以高度重视。有的银行金融交易网络，利用定期更换DES密钥Key的办法来进一步提高系统的安全性和可靠性，如果忽略了上述应用误区，那麼，更换新密钥将是徒劳的，对金融交易网络的安全运行将是十分危险的，所以更换密钥一定要保证新Key与旧Key真正的不同，即除了第8，16，24，...64位外其它位数据发生了变化，请务必对此保持高度重视！