数据加密标准（DES）

概述

DES（Data Encryption Standard）是由1971年IBM公司设计出的一个加密算法，1977年经美国国家标准局（ＮＢＳ）采用作为联邦标准之后，已成为金融界及其它各种民间行业最广泛应用的对称密码系统，是第一个被公布出来的标准算法。四十年来，尽管计算机硬件及破解技术的发展日新月异，但对ＤＥＳ的攻击也仅仅做到了“质疑”的地步，其主要缺点之一是密钥太短，若能用ＤＥＳ改进算法加长密钥长度，仍不失为一个安全的密码系统。

DES结构

明文m 置换IP m0=L0UR0 密钥源K1 L1UR1 密钥源K2 L2UR2 ……密钥源K16 L16UR16 得到R16UL16 逆置换IP^-1 得到密文C

ＤＥＳ是一个对称密码体制，加解密使用同一密钥，密钥、明文、密文长度均为６４ｂｉｔ。
解密过程为输入密文Ｃ并反序输入子密钥K16,K15,...,K1，最后输出的即明文ｍ。

DES详细结构图

置换IP和逆置换IP^-1

置换IP和逆置换IP-1没有密码学意义，X与IP(X)（或Y与IP-1 (Y)）的一一对应关系是已知的，置换的目的是打乱原来输入X的ASII码字的前后关系。

置换IP

置换IP表中的位序号特征为：64位按照8行8列排列，最右边一列按照1、3、5、7排列，往左边各列的位序号依次为其右边一列各位序号加8.

逆置换IP^-1

逆置换IP^-1是置换IP的逆过程，表中位序号特征，64位按照8行8列排列，左边第二列按8、7、6、5、4、3、2、1次序排列，往右边隔一序号是当前列序号加8，认为最右边一列的隔一列为最左边一列。

F函数

DES的一轮迭代过程见下图，其中的F函数由3部分组成：

扩展置换(E盒)
非线性代换(S盒)
线性置换(P盒)
substitute：代换
permute：置换
expand：扩展

扩展置换

扩展置换又称E盒，将32别输入扩展为48bit输出。扩展过程如下：

扩展置换E盒作用：

将32bit扩展为48bit，产生子密钥相同长度的数据使得能进行异或运算;
扩展后的48bit数据在S盒的作用下压缩32bit实现了非线性运算。

代换

代换盒子又称S盒，其功能是进行非线性代换,S盒子是DES中唯一的非线性部分，DES的安全性主要取决于S盒的安全。
S盒是一个查表运算，将48bit输入数据分成8个6bit数据，分别经过对应的8个代换子盒，变为8个bit数据，然后合成32bit数据输出。
具体查表方法如下：
- 设6bit输入为b1b2b3b4b5b6，则将b1和b6组合，转化为十进制的0~3的某个数，它对应表的行号（行分为第0、1、2、3行）；
- 其余4bit数b2b3b4b5组合，转化为十进制的0~15的某个数，它对应表的列号（列分为第0、1、2、3……15列）。
- 行列对应位置的十进制数转化为4bit二进制数输出。