DES加密算法详解——看这一篇就够了！
目录
2. 密钥K控制的16轮运算（M0,K1~K16 -> M16）
一、DES简介
DES算法为密码体制中的对称密码体制，又被称为美国数据加密标准，是1972年美国IBM公司研制的对称密码体制加密算法。加密和解密使用相同的密钥。
明文按64位进行分组，密钥长64位，密钥事实上是56位参与DES运算（第8、16、24、32、40、48、56、64位是校验位， 使得每个密钥都有奇数个1），分组后的明文组和56位的密钥按位替代或交换的方法形成密文组的加密方法。
二、DES算法入参
- data：要加密数据/被解密的数据，8字节64位。不足64位补足64位。
- key：密钥，64位中56位参与DES运算（第8、16、24、32、40、48、56、64位是校验位， 使得每个密钥都有奇数个1）。
- mode：加密 or 解密。
三、DES加密算法步骤解析
加密步骤：
- 64位明文M
- —— 1.（IP置换）
- —— 2.（密钥K控制的16轮迭代运算）
- —— 3.（交换左右32位）
- —— 4.（IP-1逆置换）
- 64位密文M'
其中56位密钥K会被处理，最终输出16个48位子密钥参与到16轮迭代运算中。
// 明文M（16进制和2进制）64位
M = 0123456789ABCDEF
M = 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
// 密钥K（16进制和2进制）64位
K = 133457799BBCDFF1
K = 00010011 00110100 01010111 01111001 10011011 10111100 11011111 11110001
// 去除校验位的密钥 56位
K = 00010011 00110100 01010111 01111001 10011011 10111100 11011111 111100011. IP置换（M -> M0）
描述：64位明文M，经过IP置换获得M0。
IP置换表如下所示：
| IP置换表 | |||||||
| 58 | 50 | 42 | 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 |
这里的 IP 置换是将 64 bit 明文 M 的位重新排序，得到新的数据 M0。例如将 M 的 58 位放在第 1 位，将 M 的 50 位放在第 2 位，以此类推，M 的第 7 位 放到第 64 位 ，得到置换后的 M0。
M = 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
M0 = IP(M)
= 1100 1100 0000 0000 1100 1100 1111 1111 1111 0000 1010 1010 1111 0000 1010 10102. 密钥K控制的16轮运算（M0,K1~K16 -> M16）
描述：轮运算的输入为M0、K1-K16；输出为M16。
- 第1轮运算，输入M0、K1，得到M1。
- 第2轮运算，输入M1、K2，得到M2。
- 第16轮运算，输入M15、K16，最终得到M16。
可以分为两步进行，先根据K计算子密钥K1~K16，再根据M0以及K1~K16，计算16轮运算结果M16。
2.1. 子密钥Kn的计算
描述：先将64位密钥去除8个奇偶校验位，得到实际使用的56位密钥K(56bit)，再经过运算得到子密钥K1~K16(48bit)。
- 首先对K(56bit)进行PC-1置换，得到新K(56bit)。
- K(56bit)分为左右28bit C0和D0，分别进行循环左移运算得到C1和D1；之后将数据C1 D1合并，再进行PC-2置换，得到K1。
- 在C1和D1的基础上进行第二次循环左移运算，之后将数据合并，再进行PC-2置换，得到K2。
- 以此类推，得到 K16。
①：PC-1置换，内容详见2.1.1
②：循环左移表R(n)，内容详见2.1.2
③：PC-2置换，内容详见2.1.3
——2.1.1 PC-1置换
PC-1置换表如下所示：
| PC-1 | ||||||
| 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 |
PC-1置换也是位置换，将原K的57位放在第一位，将K的第4位放在最后一位。
密钥 64位
K = 00010011 00110100 01010111 01111001 10011011 10111100 11011111 11110001
56位原密钥（去除校验位）
K = 00010011 00110100 01010111 01111001 10011011 10111100 11011111 11110001
新密钥
PC-1(K) = 1111000 0110011 0010101 0101111 0101010 1011001 1001111 0001111
将新密钥分为左右两组
C0 = 1111000 0110011 0010101 0101111
D0 = 0101010 1011001 1001111 0001111——2.1.2 循环左移运算
循环左移表R(n)如下所示，n表示第几次循环左移，循环左移是会将左移后的数字补在末尾。
| 循环左移表 | ||||||||||||||||
| 轮数 n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| 位数 R(n) | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 |
可以看出第一轮循环左移1位(补在末尾)，即C1=C0<<1，第二轮C2=C1<<1，以此类推
C0 = 1111000011001100101010101111
C1 = C0<<1 = 1110000110011001010101011111
C2 = C1<<1 = 1100001100110010101010111111
C3 = C2<<2 = 0000110011001010101011111111得到 C0-C16,D0-D16
C0 = 1111000011001100101010101111
D0 = 0101010101100110011110001111
C1 = 1110000110011001010101011111
D1 = 1010101011001100111100011110
C2 = 1100001100110010101010111111
D2 = 0101010110011001111000111101
C3 = 0000110011001010101011111111
D3 = 0101011001100111100011110101
C4 = 0011001100101010101111111100
D4 = 0101100110011110001111010101
C5 = 1100110010101010111111110000
D5 = 0110011001111000111101010101
C6 = 0011001010101011111111000011
D6 = 1001100111100011110101010101
C7 = 1100101010101111111100001100
D7 = 0110011110001111010101010110
C8 = 0010101010111111110000110011
D8 = 1001111000111101010101011001
C9 = 0101010101111111100001100110
D9 = 0011110001111010101010110011
C10 = 0101010111111110000110011001
D10 = 1111000111101010101011001100
C11 = 0101011111111000011001100101
D11 = 1100011110101010101100110011
C12 = 0101111111100001100110010101
D12 = 0001111010101010110011001111
C13 = 0111111110000110011001010101
D13 = 0111101010101011001100111100
C14 = 1111111000011001100101010101
D14 = 1110101010101100110011110001
C15 = 1111100001100110010101010111
D15 = 1010101010110011001111000111
C16 = 1111000011001100101010101111
D16 = 0101010101100110011110001111——2.1.3 PC-2置换
PC-2置换表如下所示：
| PC-2 | |||||
| 14 | 17 | 11 | 24 | 1 | 5 |
| 3 | 28 | 15 | 6 | 21 | 10 |
| 23 | 19 | 12 | 4 | 26 | 8 |
| 16 | 7 | 27 | 20 | 13 | 2 |
| 41 | 52 | 31 | 37 | 47 | 55 |
| 30 | 40 | 51 | 45 | 33 | 48 |
| 44 | 49 | 39 | 56 | 34 | 53 |
| 46 | 42 | 50 | 36 | 29 | 32 |
这步，根据 Cn和 Dn 获取 Kn(K1-K16)，第n轮的新秘钥Kn 的第1位来自组合子秘钥CnDn的第14位，第2位来自第17位，依次类推，新秘钥的第48位来自组合秘钥的第32位。
C1D1 = 1110000 1100110 0101010 1011111 1010101 0110011 0011110 0011110
K1 = PC-2(C1D1)
= 000110 110000 001011 101111 111111 000111 000001 110010
依次计算
K2 = 011110 011010 111011 011001 110110 111100 100111 100101
K3 = 010101 011111 110010 001010 010000 101100 111110 011001
K4 = 011100 101010 110111 010110 110110 110011 010100 011101
K5 = 011111 001110 110000 000111 111010 110101 001110 101000
K6 = 011000 111010 010100 111110 010100 000111 101100 101111
K7 = 111011 001000 010010 110111 111101 100001 100010 111100
K8 = 111101 111000 101000 111010 110000 010011 101111 111011
K9 = 111000 001101 101111 101011 111011 011110 011110 000001
K10 = 101100 011111 001101 000111 101110 100100 011001 001111
K11 = 001000 010101 111111 010011 110111 101101 001110 000110
K12 = 011101 010111 000111 110101 100101 000110 011111 101001
K13 = 100101 111100 010111 010001 111110 101011 101001 000001
K14 = 010111 110100 001110 110111 111100 101110 011100 111010
K15 = 101111 111001 000110 001101 001111 010011 111100 001010
K16 = 110010 110011 110110 001011 000011 100001 011111 1101012.2. 轮运算
根据M0(L0R0)以及K1~K16，计算16轮运算结果M16(L16R16)。
64bit M0 拆为左右32bit，分别写作L0和R0。第1轮运算如下所示，第2-16轮运算带入上一轮运算结果。
第n轮运算结果为：Mn = LnRn
所以可得计算公式：
将经过IP置换的明文分为左右两组
M0 = IP(M)
= 1100 1100 0000 0000 1100 1100 1111 1111 1111 0000 1010 1010 1111 0000 1010 1010
L0 = 1100 1100 0000 0000 1100 1100 1111 1111
R0 = 1111 0000 1010 1010 1111 0000 1010 1010——2.2.1 扩展置换E
扩展置换E如下所示：
| E | |||||
| 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 |
这样，R0`= E(R0), Rn`=E(Rn-1)
R0`= E(R0) = 011110 100001 010101 010101 011110 100001 010101 010101
——2.2.2 异或Kn
48bit数据 异或 48bit子密钥, Rn`` = Kn 异或 E(Rn-1)
K1 = 000110 110000 001011 101111 111111 000111 000001 110010
R0`` = K1+E(R0) = 011000 010001 011110 111010 100001 100110 010100 100111——2.2.3 S盒转换
对上述结果进行S盒转换（48bit --> 32bit）， Rn``` = S( Rn`` ) = S( Kn 异或 E(Rn-1) )
R0``` = S(R0``) = S( K1+E(R0) )
将 R0`` 分为8个6bit的块，分别进行S盒转换（共有8个S盒）
R0``` = S(011000 010001 011110 111010 100001 100110 010100 100111)
= S(B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 )
= S1(B1)S2(B2)S3(B3)S4(B4)S5(B5)S6(B6)S7(B7)S8(B8)
R0``` = S(R0``)
= S1(B1-0)S2(B2-0)S3(B3-0)S4(B4-0)S5(B5-0)S6(B6-0)S7(B7-0)S8(B8-0)
R1``` = S(R1``)
= S1(B1-1)S2(B2-1)S3(B3-1)S4(B4-1)S5(B5-1)S6(B6-1)S7(B7-1)S8(B8-1)
...
R15``` = S(R15``)
= S1(B1-15)S2(B2-15)S3(B3-15)S4(B4-15)S5(B5-15)S6(B6-15)S7(B7-15)S8(B8-15)
其中 B1-0、B1-15 中的0和16表示 1-16 轮，0表示第1轮，15表示第16轮
B1-0， 第 1轮 R0`` 拆开的6bit
B1-16，第16轮 R15`` 拆开的6bitS盒如下所示：48bit 转 32bit
如果S1是定义在这张表上的函数，B是一个6位的块，那么计算S1(B) 的方法是：B的第一位和最后一位组合起来的二进制数决定一个介于0和3之间的十进制数（或者二进制00到11之间）。设这个数为i。B的中间4位二进制数代表一个介于0到15之间的十进制数（二进制0000到1111）。设这个数为j。查表找到第i行第j列的那个数，这是一个介于0和15之间的数，并且它是能由一个唯一的4位区块表示的。这个区块就是函数S1 输入B得到的输出S1(B)。比如，对输入B = 011011 ，第一位是0，最后一位是1，决定了行号是01，也就是十进制的1 。中间4位是1101，也就是十进制的13，所以列号是13。查表第1行第13列我们得到数字5。这决定了输出；5是二进制0101，所以输出就是0101。也即S1(011011) = 0101。
同理，定义这8个函数S1,…,S8的表格如下所示：
| 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 |
所以第一轮的S和输出就是
将 R0`` 分为8个6bit的块，分别进行S盒转换（共有8个S盒）
R0``` = S(R0``)
= S(011000 010001 011110 111010 100001 100110 010100 100111)
= S(B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 )
= S1(B1)S2(B2)S3(B3)S4(B4)S5(B5)S6(B6)S7(B7)S8(B8)
第一轮中：
R0``` = S(R0``)
= S1(B1-0)S2(B2-0)S3(B3-0)S4(B4-0)S5(B5-0)S6(B6-0)S7(B7-0)S8(B8-0)
= 0101 1100 1000 0010 1011 0101 1001 0111
——2.2.4 P盒置换
P盒如下所示，置换后产生 32bit 输出：Rn```` = P( Rn``` )
| P | |||
| 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 |
第一轮中：
R0``` = S(R0``)
= S1(B1-0)S2(B2-0)S3(B3-0)S4(B4-0)S5(B5-0)S6(B6-0)S7(B7-0)S8(B8-0)
R0``` = 0101 1100 1000 0010 1011 0101 1001 0111
R0```` = P(R0```)
= 1110 1111 0100 1010 0110 0101 0100 0100 ——2.2.5 异或运算
R1 = R0```` 异或 L0， Rn= (Rn-1```` 异或 Ln-1)
L0 = 1100 1100 0000 0000 1100 1100 1111 1111
R0```` = 0010 0011 0100 1010 1010 1001 1011 1011
R1 = L0 异或 R0````
= 1100 1100 0000 0000 1100 1100 1111 1111
(异或)+ 0010 0011 0100 1010 1010 1001 1011 1011
= 1110 1111 0100 1010 0110 0101 0100 0100
即 R1 = 1110 1111 0100 1010 0110 0101 0100 0100L1=R0， Ln = Rn-1
L1 = R0
= 1111 0000 1010 1010 1111 0000 1010 1010——2.2.6 2-16轮运算
直到2.2.6，才进行完第一次轮运算，按照公式
Ln = Rn-1 ；Rn= (Rn-1```` 异或 Ln-1)；
L2 = R1，R2 = L1 异或 P(S(E(R1)异或K2))。
可以依次计算，得到 L16 R16，即 M16：
L16 = 0100 0011 0100 0010 0011 0010 0011 0100
R16 = 0000 1010 0100 1100 1101 1001 1001 0101
M16 = L16R163. 交换左右32位（M16 -> M16'）
描述：将16轮运算结果 M16 进行左右32bit交换。
(L16)(R16) -> (R16)(L16)
L16 = 0100 0011 0100 0010 0011 0010 0011 0100
R16 = 0000 1010 0100 1100 1101 1001 1001 0101
M16 = L16R16
M16` = R16L16 = 00001010 01001100 11011001 10010101 01000011 01000010 00110010 001101004. IP-1逆置换（M16' -> M'）
描述：将M16'进行IP-1逆置换，得到最终加密数据M'，M'也是64bit。
IP-1表如下所示：
| IP-1 | |||||||
| 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 |
IP-1 置换同理，将 M16` 的第40位作为第1位，将 M16` 的第25位作为最后一位。
M' = IP-1 (M16')
M16` = R16L16 = 00001010 01001100 11011001 10010101 01000011 01000010 00110010 00110100
M' = IP-1 (M16')
= 10000101 11101000 00010011 01010100 00001111 00001010 10110100 00000101
再转换为16进制：
M' = 85E813540F0AB405
更多推荐
15
0- 0
已为社区贡献4条内容
所有评论(0)