超级清晰的DES算法详解

一. DES算法介绍

1. 对称加密算法

通信的双方同时掌握一个密钥，加密解密都是由一个密钥完成的（加密密钥等于解密密钥）。
双方通信前共同拟定一个密钥，不对第三方公开。
不具有个体原子性，一个密钥被共享，泄露几率会大大增加。

2. 非对称加密算法

在非对称加密中，不再只有一个密钥Key了。

在非对称加密算法中，密钥被分解为一对，一个称为公开密钥，另一个称为私有密钥。

对于公钥，可以通过非保密方式向他人公开，而私钥则由解密方保密，不对别人公开。

3. 对称加密算法的应用

DES算法是对称加密算法的代表，虽然现在已经很好实现，但是对于研究其改进的方法，有很重大的影响。
在DES算法中由于大部分原始数据较长，首先需要将数据切成64位的明文分组，所以DES算法也叫做分组加密算法，由于分完组后是一块，所以又叫块加密。
在DES算法中使用的密钥位64位，其中有效的密钥长度其实只有56位（分成8块每块长为8位，每隔8位设置左后一位为校验位，采用就奇偶校验法）。
在DES算法中加密的明文较长，需要对DES加密进行16轮的函数循环迭代。
当n个64位明文数据块都经过DES加密处理后，所得到的n个64位密文数据块串在一起就是密文。

二. DES算法过程

DES 加密算法大致分为 4 个步骤：

初始置换
生成子密钥
迭代过程
逆置换

这是整体的流程

这里注意一下，我们默认明文和密钥都是64位的，至于怎么变成64位，我们这里不讲

1. 初始置换

初始置换是将原始明文经过IP置换表处理。

IP置换表：

置换过程：

比如我们的明文为：010101101101110111110101011011100110111011100011001001101011001

把这个64位明文排成一个 8 * 8 的矩阵

然后我们要通过IP置换表来进行置换，这个置换就是根据位置来的。

比如我看IP置换表的一个58，就代表要替换为明文矩阵中的第58个元素。

同理，置换表中的50，替换为明文矩阵中的第50个元素，即50替换为0

这样置换后我们就可以得到一个新的矩阵M’

这样我们就得到了一个转置矩阵M’

然后我们取M’的前32位位L0，后32位为R0

得到：

L0（32位）：11111111101110000111011001010111
R0（32位）：00000000111111110000011010000011

2. 生成子密钥

(1) 大体过程

DES 加密共执行16次迭代，每次迭代过程的数据长度为48位，因此需要16个48位的子密钥来进行加密，生成子密钥的过程如下：

(2) 涉及到的表

这里有涉及了几个表：

选择置换1 (PC-1)

选择置换2 (PC-2)

循环左移查表

以上就是我们需要的一些表，分别是选择置换1 (PC-1)，选择置换2 (PC-2)，循环左移查表

(3) 密钥置换与移位

下面开始生成子密钥

我们得到了64位的密钥K，K = 0001001100110100010101110111100110011011101111001101111111110001

我们把它变成 8 * 8 的矩阵，然后对照选择置换1 (PC-1)表进行置换，置换的规则和初始置换的规则一样，然后就可以得到一个新的矩阵，严格来说是两个，一个左C0矩阵，28位，一个右D0矩阵，28位。

这里注意，密钥的长度为64bit，但是我们置换的时候能够发现，置换后左右两个矩阵其实是56位，因为有8位是进行奇偶校验的，对于密钥来说没啥用，所以结果是64bit置换成为56bit的密钥，分左右C0和D0后，这两就是28位的数据

置换后得到：

K’（56位）：11110000110011001010101011110101010101100110011110001111
C0（28位）：1111000011001100101010101111
D0（28位）：0101010101100110011110001111

这样我们就得到了C0和D0，接下来准备进行第一轮移位

我们根据循环左移查表，第一轮是向左移一位，我们拿C0进行演示

同理对D0进行移位，这样我们就得到第一轮移位的结果C1和D1

C1（28位）：1110000110011001010101011111
D1（28位）：1010101011001100111100011110

将C1和D1合并后，经过PC-2表置换得到子密钥K1

K1：11100001100110010101010111111010101011001100111100011110

然后我们根据选择置换2 (PC-2) 表对K1进行置换，置换规则和上面的一样，可以得到K1的置换结果K1’

注意PC-2这个表除了第9，18，22，25，35，38，43，54位。即K1’只有48个数

K1’（48位）：000110110000001011101111111111000111000001110010

接下来就是第二轮移位，查看移位表，发现第二轮是左移1位，我们对C1和D1进行移位，得到C2和D2

C2（28位）：1100001100110010101010111111
C2（28位）：0101010110011001111000111101

把这俩合并得到56位的K2

K2（56位）： 11000011001100101010101111110101010110011001111000111101

然后再通过PC-2表进行置换，得到K2’

K2’（48位）：011110011010111011011001110110111100100111100101

然后还是一样，进行第三轮，通过移位表对C2和D2进行移位，得到C3和D3，然后C3和D3放一起得到58位的K3，然后K3通过PC-2表进行置换，得到48位的K3’，然后进行第四轮……

C3（28位） = 0000110011001010101011111111
D3（28位） = 0101011001100111100011110101
K3（56位） = 00001100110010101010111111110101011001100111100011110101
K3’（48位） = 010101011111110010001010010000101100111110011001

C4（28位） = 0011001100101010101111111100
D4（28位） = 0101100110011110001111010101
K4（56位） = 00110011001010101011111111000101100110011110001111010101
K4’（48位） = 011100101010110111010110110110110011010100011101

C5（28位） = 1100110010101010111111110000
D5（28位） = 0110011001111000111101010101
K5（56位） = 11001100101010101111111100000110011001111000111101010101
K5’（48位） = 011111001110110000000111111010110101001110101000

C6（28位） = 0011001010101011111111000011
D6（28位） = 1001100111100011110101010101
K6（56位） = 00110010101010111111110000111001100111100011110101010101
K6’（48位） = 011000111010010100111110010100000111101100101111

C7（28位） = 1100101010101111111100001100
D7（28位） = 0110011110001111010101010110
K7（56位） = 11001010101011111111000011000110011110001111010101010110
K7’（48位） = 111011001000010010110111111101100001100010111100

C8（28位） = 0010101010111111110000110011
D8（28位） = 1001111000111101010101011001
K8（56位） = 00101010101111111100001100111001111000111101010101011001
K8’（48位） = 111101111000101000111010110000010011101111111011

C9（28位） = 0101010101111111100001100110
D9（28位） = 0011110001111010101010110011
K9（56位） = 01010101011111111000011001100011110001111010101010110011
K9’（48位） = 111000001101101111101011111011011110011110000001

C10（28位） = 0101010111111110000110011001
D10（28位） = 1111000111101010101011001100
K10（56位） = 01010101111111100001100110011111000111101010101011001100
K10’（48位） = 101100011111001101000111101110100100011001001111

C11（28位） = 0101011111111000011001100101
D11（28位） = 1100011110101010101100110011
K11（56位） = 01010111111110000110011001011100011110101010101100110011
K11’（48位） = 001000010101111111010011110111101101001110000110

C12（28位） = 0101111111100001100110010101
D12（28位） = 0001111010101010110011001111
K12（56位） = 01011111111000011001100101010001111010101010110011001111
K12’（48位） = 011101010111000111110101100101000110011111101001

C13（28位） = 0111111110000110011001010101
D13（28位） = 0111101010101011001100111100
K13（56位） = 01111111100001100110010101010111101010101011001100111100
K13’（48位） = 100101111100010111010001111110101011101001000001

C14（28位） = 1111111000011001100101010101
D14（28位） = 1110101010101100110011110001
K14（48位） = 11111110000110011001010101011110101010101100110011110001
K14’（48位） = 010111110100001110110111111100101110011100111010

C15（28位） = 1111100001100110010101010111
D15（28位） = 1010101010110011001111000111
K15（48位） = 11111000011001100101010101111010101010110011001111000111
K15’（48位） = 101111111001000110001101001111010011111100001010

C16（28位） = 1111000011001100101010101111
D16（28位） = 0101010101100110011110001111
K16（48位） = 11110000110011001010101011110101010101100110011110001111
K16’（48位） = 110010110011110110001011000011100001011111110101

这样我们就得到了从K1’到K16’ 这16个子密钥了

3. 迭代过程

设Li（32位）和Ri（32位）为第i次迭代结果的左半部分与右半部分，子密钥Ki为第i轮的48位加密密钥。定义运算规则：

Li = Ri-1;
Ri = Li ⊕ f(Ri-1, Ki);

这个L和R在上面初始替换的最后出现过，分别是L0和R0，他们是64位明文矩阵M，经过IP转置表转置得到的新矩阵M’，再分组，前32位是L0，后32位是R0.

整个迭代过程如下图：

看不懂没关系，下面一点一点来

(1) 扩展置换E

右半部分 Ri 的位数为32位，而密钥长度 Ki 为48位，为了能够保证 Ri 与 Ki 可以进行异或运算需要对 Ri 位数进行扩展，用于扩展置换表E如下：

扩展置换表E：

例如我们之前得到的L0和R0：

L0（32位）：11111111101110000111011001010111
R0（32位）：00000000111111110000011010000011

我们通过扩展置换表E把R0进行扩展，得到E(R0)

E(R0)（48位）：100000000001011111111110100000001101010000000110

将 E(R0)（48位）与K1（48位）作异或运算（相同为0，不同为1）

得到：

E(R0)^K1（48位） = 100110110001010100010001011111001010010001110100

(2) S盒替代

代替运算由8个不同的代替盒（S盒）完成。每个S盒有6位输入，4位输出。即将48位的E(R0)^K1输入，分为8个组，一组6个，第一组进入S1盒进行计算，第二组进入S2，第三组进入S3，一次类推，然后每个盒子最后会得出4位的结果，将8个盒子的结果拼在一起，就是32位输出

代替运算流程如下：

代替运算流程:

![](https://img.trtyr.top/img/Pasted image 20230412194625.webp)

S盒的计算规则：

例如：

若S1盒的输入为110111，第一位与最后一位构成11，对应1yyyy1行

中间4位为1011对应x1011x。

查找S-盒1表的值为14，则S-盒1的输出为14的二进制，即1110。

通过这种规则，8个S盒将输入的48位数据输出为32位数据。

按照S-盒的计算过程，将

E(R0)^K1（48位）= 100110110001010100010001011111001010010001110100，分组，然后通过S盒替换得到的S盒输出为：E(R0)^K1_S（32位） = 10001011110001000110001011101010。

(3) P盒置换

将S盒替代的输出结果作为P盒置换的输入。P盒置换表如下：

所以，E(R0)^K1_S经过P盒置换后得到 E(R0)^K1_P（32位） = 01001000101111110101010110000001

(4) 函数概念

我们把上面的所有过程，即扩展置换E、S盒替代、P盒置换的过程作为函数f。

我们刚才是通过置换R0得到E(R0)，然后将E(R0)与K1异或运算，得到E(R0)^K1，通过S盒得到E(R0)^K1_S，然后通过P盒得到E(R0)^K1_P = 01001000101111110101010110000001，所以我们这个函数f就是：f(R0, K1) = 01001000101111110101010110000001

接下来进行运算规则：