3.加密算法之DES算法 R@H}n3 ,
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一、DES算法 3(( 53@s98
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美國國家標準局1973年開始研究除國防部外的其它部門的計算機系統的數據加密標準，於1973年5月15日和1974年8月27日先後兩次向公衆發出了徵求加密算法的公告。加密算法要達到的目的（通常稱爲DES 密碼算法要求）主要爲以下四點： ☆提供高質量的數據保護，防止數據未經授權的泄露和未被察覺的修改； Q,A `"e# :
K{0 0 V #
☆具有相當高的複雜性，使得破譯的開銷超過可能獲得的利益，同時又要便於理解和掌握； cMEM}Qh T
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☆DES密碼體制的安全性應該不依賴於算法的保密，其安全性僅以加密密鑰的保密爲基礎； uXNf )?MpA
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☆實現經濟，運行有效，並且適用於多種完全不同的應用。 I$` Vw >
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1977年1月，美國政府頒佈：採納IBM公司設計的方案作爲非機密數據的正式數據加密標準（DES?Data Encryption Standard）。 ii*Ty !Sa
C({ L4O#?o
目前在國內，隨着三金工程尤其是金卡工程的啓動，DES算法在POS、ATM、磁卡及智能卡（IC卡）、加油站、高速公路收費站等領域被廣泛應用，以此來實現關鍵數據的保密，如信用卡持卡人的PIN的加密傳輸，IC卡與POS間的雙向認證、金融交易數據包的MAC校驗等，均用到DES算法。 3MjM N%{P
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DES算法的入口參數有三個：Key、Data、Mode。其中Key爲8個字節共64位，是DES算法的工作密鑰；Data也爲8個字節64位，是要被加密或被解密的數據；Mode爲DES的工作方式，有兩種：加密或解密。 W{;!JI7;z
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DES算法是這樣工作的：如Mode爲加密，則用Key 去把數據Data進行加密， 生成Data的密碼形式（64位）作爲DES的輸出結果；如Mode爲解密，則用Key去把密碼形式的數據Data解密，還原爲Data的明碼形式（64位）作爲DES的輸出結果。在通信網絡的兩端，雙方約定一致的Key，在通信的源點用Key對核心數據進行DES加密，然後以密碼形式在公共通信網（如電話網）中傳輸到通信網絡的終點，數據到達目的地後，用同樣的Key對密碼數據進行解密，便再現了明碼形式的核心數據。這樣，便保證了核心數據（如PIN、MAC等）在公共通信網中傳輸的安全性和可靠性。 v,| ;uc+
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通過定期在通信網絡的源端和目的端同時改用新的Key，便能更進一步提高數據的保密性，這正是現在金融交易網絡的流行做法。 b vu` =
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DES算法詳述 * q0N $}k
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DES算法把64位的明文輸入塊變爲64位的密文輸出塊，它所使用的密鑰也是64位，整個算法的主流程圖如下： D / ` $
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其功能是把輸入的64位數據塊按位重新組合，並把輸出分爲L0、R0兩部分，每部分各長32位，其置換規則見下表： 1X s! ew)>
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58,50,12,34,26,18,10,2,60,52,44,36,28,20,12,4, N4 L k3 ]
62,54,46,38,30,22,14,6,64,56,48,40,32,24,16,8, P L Y7qM w
57,49,41,33,25,17, 9,1,59,51,43,35,27,19,11,3, ;|^fAc~9{r
61,53,45,37,29,21,13,5,63,55,47,39,31,23,15,7, @fK`l@ K
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即將輸入的第58位換到第一位，第50位換到第2位，...，依此類推，最後一位是原來的第7位。L0、R0則是換位輸出後的兩部分，L0是輸出的左32位，R0 是右32位，例：設置換前的輸入值爲D1D2D3......D64，則經過初始置換後的結果爲：L0=D58D50...D8；R0=D57D49...D7。 E S~]rPVS
5R H s
經過16次迭代運算後。得到L16、R16，將此作爲輸入，進行逆置換，即得到密文輸出。逆置換正好是初始置的逆運算，例如，第1位經過初始置換後，處於第40位，而通過逆置換，又將第40位換回到第1位，其逆置換規則如下表所示： h>/ViB@"W|
<D^ x6{}
40,8,48,16,56,24,64,32,39,7,47,15,55,23,63,31, }';& 0p2Z
38,6,46,14,54,22,62,30,37,5,45,13,53,21,61,29, ( +_J0i t
36,4,44,12,52,20,60,28,35,3,43,11,51,19,59,27, M H?B .2
34,2,42,10,50,18,58 26,33,1,41, 9,49,17,57,25, 6 bGD8 ;
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放大換位表 + L woBn>6
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32, 1, 2, 3, 4, 5, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 8, 9, 10,11, 8j} m/^ si
12,13,12,13,14,15,16,17,16,17,18,19,20,21,20,21, C=IH #E=
22,23,24,25,24,25,26,27,28,29,28,29,30,31,32, 1, WDdi }i>2
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單純換位表 noA/5&hq W
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16,7,20,21,29,12,28,17, 1,15,23,26, 5,18,31,10, 4 i /q^; `
2,8,24,14,32,27, 3, 9,19,13,30, 6,22,11, 4,25, /GvY` kt3
yH%+cm p7
在f(Ri,Ki)算法描述圖中，S1,S2...S8爲選擇函數，其功能是把6bit數據變爲4bit數據。下面給出選擇函數Si(i=1,2......的功能表： &ORv bnd6
# A /J^ Ko
選擇函數Si 90 iW-"l+[
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14,4,13,1,2,15,11,8,3,10,6,12,5,9,0,7, }8V ;s- 1
0,15,7,4,14,2,13,1,10,6,12,11,9,5,3,8, h`EH~W0:z
4,1,14,8,13,6,2,11,15,12,9,7,3,10,5,0, ~e`;" n@4
15,12,8,2,4,9,1,7,5,11,3,14,10,0,6,13, [2 QY
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15,1,8,14,6,11,3,4,9,7,2,13,12,0,5,10, cy &
3,13,4,7,15,2,8,14,12,0,1,10,6,9,11,5, ^ Kw &= u
0,14,7,11,10,4,13,1,5,8,12,6,9,3,2,15, f*|8n $%
13,8,10,1,3,15,4,2,11,6,7,12,0,5,14,9, 8 "? Vcw &
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13,7,0,9,3,4,6,10,2,8,5,14,12,11,15,1, CU# L *k z
13,6,4,9,8,15,3,0,11,1,2,12,5,10,14,7, ]/aRc=Gn
1,10,13,0,6,9,8,7,4,15,14,3,11,5,2,12, mC*W2#1 pF
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7,13,14,3,0,6,9,10,1,2,8,5,11,12,4,15, g2[ K<
13,8,11,5,6,15,0,3,4,7,2,12,1,10,14,9, ;el] LnV!O
10,6,9,0,12,11,7,13,15,1,3,14,5,2,8,4, [=XZza.z
3,15,0,6,10,1,13,8,9,4,5,11,12,7,2,14, S[-.tvI;Q
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2,12,4,1,7,10,11,6,8,5,3,15,13,0,14,9, E wTS !gL
14,11,2,12,4,7,13,1,5,0,15,10,3,9,8,6, 0 w^j ls
4,2,1,11,10,13,7,8,15,9,12,5,6,3,0,14, ` ff j8U
11,8,12,7,1,14,2,13,6,15,0,9,10,4,5,3, 5fU!'ajaN7
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12,1,10,15,9,2,6,8,0,13,3,4,14,7,5,11, [ 70 Y,,w
10,15,4,2,7,12,9,5,6,1,13,14,0,11,3,8, JAN |a CzD
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13,0,11,7,4,9,1,10,14,3,5,12,2,15,8,6, j+n v=p
1,4,11,13,12,3,7,14,10,15,6,8,0,5,9,2, s~=g *9 9H
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&lq^dFP&Su
在此以S1爲例說明其功能，我們可以看到：在S1中，共有4行數據，命名爲0，1、2、3行；每行有16列，命名爲0、1、2、3，......，14、15列。 lJUy;yp_+
$H xS:3D%D
現設輸入爲： D＝D1D2D3D4D5D6 :6z C4Sr^
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令：列＝D2D3D4D5 1|]x o3j"'
行＝D1D6 L{< 7.?{Y
Mc:b U
然後在S1表中查得對應的數，以4位二進制表示，此即爲選擇函數S1的輸出。下面給出子密鑰Ki(48bit)的生成算法 =LK}9 Vi H
[I M QI X
從子密鑰Ki的生成算法描述圖中我們可以看到：初始Key值爲64位，但DES算法規定，其中第8、16、......64位是奇偶校驗位，不參與DES運算。故Key 實際可用位數便只有56位。即：經過縮小選擇換位表1的變換後，Key 的位數由64 位變成了56位，此56位分爲C0、D0兩部分，各28位，然後分別進行第1次循環左移，得到C1、D1，將C1（28位）、D1（28位）合併得到56位，再經過縮小選擇換位2，從而便得到了密鑰K0（48位）。依此類推，便可得到K1、K2、......、K15，不過需要注意的是，16次循環左移對應的左移位數要依據下述規則進行： P 5Dk63z]
"S( yZ6r"
循環左移位數 @ hsbq
HC az wX
1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1 puF% = i
i-.c = M
以上介紹了DES算法的加密過程。DES算法的解密過程是一樣的，區別僅僅在於第一次迭代時用子密鑰K15，第二次K14、......，最後一次用K0，算法本身並沒有任何變化。 (b v oF5%
o/goE^,aeR
二、DES算法理論圖解 L {qJ-ln:
Q1T @ oxV
DES的算法是對稱的，既可用於加密又可用於解密。下圖是它的算法粗框圖。其具體運算過程有如下七步。 `< Yf {'*
mp:m`sh*i
＜缺：找到補上＞ P7r4ePtLk{
t3>$|}O ]t
三、DES算法的應用誤區 ^*> n 4U
< /ETPL ,<
DES算法具有極高安全性，到目前爲止，除了用窮舉搜索法對DES算法進行攻擊外，還沒有發現更有效的辦法。而56位長的密鑰的窮舉空間爲256，這意味着如果一臺計算機的速度是每一秒種檢測一百萬個密鑰，則它搜索完全部密鑰就需要將近2285年的時間，可見，這是難以實現的，當然，隨着科學技術的發展，當出現超高速計算機後，我們可考慮把DES密鑰的長度再增長一些，以此來達到更高的保密程度。 Kj! Y K~~
N jP ]My
由上述DES算法介紹我們可以看到：DES算法中只用到64位密鑰中的其中56位，而第8、16、24、......64位8個位並未參與DES運算，這一點，向我們提出了一個應用上的要求，即DES的安全性是基於除了8，16，24，......64位外的其餘56位的組合變化256才得以保證的。因此，在實際應用中，我們應避開使用第8，16，24，......64位作爲有效數據位，而使用其它的56位作爲有效數據位，才能保證DES算法安全可靠地發揮作用。如果不瞭解這一點，把密鑰Key的8，16，24，..... .64位作爲有效數據使用，將不能保證DES加密數據的安全性，對運用DES來達到保密作用的系統產生數據被破譯的危險，這正是DES算法在應用上的誤區，留下了被人攻擊、被人破譯的極大隱患。
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一、DES算法 3(( 53@s98
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美國國家標準局1973年開始研究除國防部外的其它部門的計算機系統的數據加密標準，於1973年5月15日和1974年8月27日先後兩次向公衆發出了徵求加密算法的公告。加密算法要達到的目的（通常稱爲DES 密碼算法要求）主要爲以下四點： ☆提供高質量的數據保護，防止數據未經授權的泄露和未被察覺的修改； Q,A `"e# :
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☆具有相當高的複雜性，使得破譯的開銷超過可能獲得的利益，同時又要便於理解和掌握； cMEM}Qh T
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☆DES密碼體制的安全性應該不依賴於算法的保密，其安全性僅以加密密鑰的保密爲基礎； uXNf )?MpA
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☆實現經濟，運行有效，並且適用於多種完全不同的應用。 I$` Vw >
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1977年1月，美國政府頒佈：採納IBM公司設計的方案作爲非機密數據的正式數據加密標準（DES?Data Encryption Standard）。 ii*Ty !Sa
C({ L4O#?o
目前在國內，隨着三金工程尤其是金卡工程的啓動，DES算法在POS、ATM、磁卡及智能卡（IC卡）、加油站、高速公路收費站等領域被廣泛應用，以此來實現關鍵數據的保密，如信用卡持卡人的PIN的加密傳輸，IC卡與POS間的雙向認證、金融交易數據包的MAC校驗等，均用到DES算法。 3MjM N%{P
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DES算法的入口參數有三個：Key、Data、Mode。其中Key爲8個字節共64位，是DES算法的工作密鑰；Data也爲8個字節64位，是要被加密或被解密的數據；Mode爲DES的工作方式，有兩種：加密或解密。 W{;!JI7;z
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DES算法是這樣工作的：如Mode爲加密，則用Key 去把數據Data進行加密， 生成Data的密碼形式（64位）作爲DES的輸出結果；如Mode爲解密，則用Key去把密碼形式的數據Data解密，還原爲Data的明碼形式（64位）作爲DES的輸出結果。在通信網絡的兩端，雙方約定一致的Key，在通信的源點用Key對核心數據進行DES加密，然後以密碼形式在公共通信網（如電話網）中傳輸到通信網絡的終點，數據到達目的地後，用同樣的Key對密碼數據進行解密，便再現了明碼形式的核心數據。這樣，便保證了核心數據（如PIN、MAC等）在公共通信網中傳輸的安全性和可靠性。 v,| ;uc+
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通過定期在通信網絡的源端和目的端同時改用新的Key，便能更進一步提高數據的保密性，這正是現在金融交易網絡的流行做法。 b vu` =
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DES算法把64位的明文輸入塊變爲64位的密文輸出塊，它所使用的密鑰也是64位，整個算法的主流程圖如下： D / ` $
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其功能是把輸入的64位數據塊按位重新組合，並把輸出分爲L0、R0兩部分，每部分各長32位，其置換規則見下表： 1X s! ew)>
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即將輸入的第58位換到第一位，第50位換到第2位，...，依此類推，最後一位是原來的第7位。L0、R0則是換位輸出後的兩部分，L0是輸出的左32位，R0 是右32位，例：設置換前的輸入值爲D1D2D3......D64，則經過初始置換後的結果爲：L0=D58D50...D8；R0=D57D49...D7。 E S~]rPVS
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經過16次迭代運算後。得到L16、R16，將此作爲輸入，進行逆置換，即得到密文輸出。逆置換正好是初始置的逆運算，例如，第1位經過初始置換後，處於第40位，而通過逆置換，又將第40位換回到第1位，其逆置換規則如下表所示： h>/ViB@"W|
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在f(Ri,Ki)算法描述圖中，S1,S2...S8爲選擇函數，其功能是把6bit數據變爲4bit數據。下面給出選擇函數Si(i=1,2......的功能表： &ORv bnd6
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0,15,7,4,14,2,13,1,10,6,12,11,9,5,3,8, h`EH~W0:z
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12,1,10,15,9,2,6,8,0,13,3,4,14,7,5,11, [ 70 Y,,w
10,15,4,2,7,12,9,5,6,1,13,14,0,11,3,8, JAN |a CzD
9,14,15,5,2,8,12,3,7,0,4,10,1,13,11,6, x 96}# 0'
4,3,2,12,9,5,15,10,11,14,1,7,6,0,8,13, O thG 7+eF
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在此以S1爲例說明其功能，我們可以看到：在S1中，共有4行數據，命名爲0，1、2、3行；每行有16列，命名爲0、1、2、3，......，14、15列。 lJUy;yp_+
$H xS:3D%D
現設輸入爲： D＝D1D2D3D4D5D6 :6z C4Sr^
@UV{:]f ~e
令：列＝D2D3D4D5 1|]x o3j"'
行＝D1D6 L{< 7.?{Y
Mc:b U
然後在S1表中查得對應的數，以4位二進制表示，此即爲選擇函數S1的輸出。下面給出子密鑰Ki(48bit)的生成算法 =LK}9 Vi H
[I M QI X
從子密鑰Ki的生成算法描述圖中我們可以看到：初始Key值爲64位，但DES算法規定，其中第8、16、......64位是奇偶校驗位，不參與DES運算。故Key 實際可用位數便只有56位。即：經過縮小選擇換位表1的變換後，Key 的位數由64 位變成了56位，此56位分爲C0、D0兩部分，各28位，然後分別進行第1次循環左移，得到C1、D1，將C1（28位）、D1（28位）合併得到56位，再經過縮小選擇換位2，從而便得到了密鑰K0（48位）。依此類推，便可得到K1、K2、......、K15，不過需要注意的是，16次循環左移對應的左移位數要依據下述規則進行： P 5Dk63z]
"S( yZ6r"
循環左移位數 @ hsbq
HC az wX
1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1 puF% = i
i-.c = M
以上介紹了DES算法的加密過程。DES算法的解密過程是一樣的，區別僅僅在於第一次迭代時用子密鑰K15，第二次K14、......，最後一次用K0，算法本身並沒有任何變化。 (b v oF5%
o/goE^,aeR
二、DES算法理論圖解 L {qJ-ln:
Q1T @ oxV
DES的算法是對稱的，既可用於加密又可用於解密。下圖是它的算法粗框圖。其具體運算過程有如下七步。 `< Yf {'*
mp:m`sh*i
＜缺：找到補上＞ P7r4ePtLk{
t3>$|}O ]t
三、DES算法的應用誤區 ^*> n 4U
< /ETPL ,<
DES算法具有極高安全性，到目前爲止，除了用窮舉搜索法對DES算法進行攻擊外，還沒有發現更有效的辦法。而56位長的密鑰的窮舉空間爲256，這意味着如果一臺計算機的速度是每一秒種檢測一百萬個密鑰，則它搜索完全部密鑰就需要將近2285年的時間，可見，這是難以實現的，當然，隨着科學技術的發展，當出現超高速計算機後，我們可考慮把DES密鑰的長度再增長一些，以此來達到更高的保密程度。 Kj! Y K~~
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由上述DES算法介紹我們可以看到：DES算法中只用到64位密鑰中的其中56位，而第8、16、24、......64位8個位並未參與DES運算，這一點，向我們提出了一個應用上的要求，即DES的安全性是基於除了8，16，24，......64位外的其餘56位的組合變化256才得以保證的。因此，在實際應用中，我們應避開使用第8，16，24，......64位作爲有效數據位，而使用其它的56位作爲有效數據位，才能保證DES算法安全可靠地發揮作用。如果不瞭解這一點，把密鑰Key的8，16，24，..... .64位作爲有效數據使用，將不能保證DES加密數據的安全性，對運用DES來達到保密作用的系統產生數據被破譯的危險，這正是DES算法在應用上的誤區，留下了被人攻擊、被人破譯的極大隱患。
