數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（Data Encryption Standard, DES）中的算法是第一個并且是最重要的現(xiàn)代對稱加密算法，是美國國家安全標(biāo)準(zhǔn)局于1977年公布的由IBM公司研制的加密算法，主要用于與國家安全無關(guān)的信息加密。在數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)被公布后的20多年里，其在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，經(jīng)受了各種密碼分析和攻擊，表現(xiàn)出了令人滿意的安全性。世界范圍內(nèi)的銀行普遍將它用于資金轉(zhuǎn)賬安全保護，而我國的POS、ATM、磁卡及智能卡、加油站、高速公路收費站等領(lǐng)域曾主要采用DES來實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的保密。
1、DES加密算法原理
DES采用分組加密方法，待處理的消息會被分為定長數(shù)據(jù)分組。以待加密的明文為例，將明文按8個字節(jié)為一組進行分組，而8個二進制位為一個字節(jié)，即每個明文分組為64位二進制數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)單獨進行加密處理。在DES加密算法中，明文和密文均為64位，有效密鑰長度為56位，即DES加密或解密算法輸入64位的明文或密文消息和56位的密鑰，輸出64位的密文或明文消息。DES的加密和解密算法相同，只是解密子密鑰與加密子密鑰的使用順序剛好相反。
DES的加密過程的整體描述如圖1所示，主要可分為3步。
圖1 DES加密過程
第一步：對輸入的64位明文分組進行固定的“初始置換”（Initial Permutation，IP），即按固定的規(guī)則重新排列明文分組的64位二進制數(shù)據(jù)，將重排后的64位數(shù)據(jù)按前后各32位分為獨立的左右兩個部分，前32位記為L，后32位記為R。我們可以將這個初始置換寫為：
（L，R）←IP（64位分組明文）
因初始置換函數(shù)是固定且公開的，故初始置換并無明顯的密碼意義。
第二步：進行16輪相同函數(shù)的迭代處理。將上一輪輸出的Ri-1直接作為Li輸入，同時將Ri-1與第i個48位的子密鑰ki經(jīng)“輪函數(shù)f”轉(zhuǎn)換后，得到一個32位的中間結(jié)果，再將此中間結(jié)果與上一輪的Li-1做異或運算，并將得到的新的32位結(jié)果作為下一輪的Ri。如此往復(fù)，迭代處理16次，每次的子密鑰均不同。我們可以將這一過程寫為：
Li←Ri-1
Ri←Li-1⊕f（Ri-1, ki）
這個運算的特點是交換兩個半分組，一輪運算左半分組的輸入是上一輪運算右半分組的輸出，交換運算是一個簡單的密碼換位運算，目的是獲得更大程度的“信息擴散”。顯而易見，DES的這一步是代換密碼和換位密碼的結(jié)合。
第三步：將第16輪迭代結(jié)果左右兩半組L16、R16直接合并為64位（L16，R16），并輸入到初始逆置換以消除初始置換的影響。這一步的輸出結(jié)果即為加密過程的密文。我們可以將這一過程寫為：
輸出64位密文←IP-1（L16，R16）
需要注意的是，在將最后一輪輸出結(jié)果的兩個半分組輸入初始逆置換之前，還需要進行一次交換。如圖1所示，在最后的輸入中，右邊是L16，左邊是R16，合并后左半分組在前，右半分組在后，即（L16，R16）。
（1）初始置換IP和初始逆置換IP-1
表1和表2分別定義了初始置換與初始逆置換。置換表中的數(shù)字從1到64，共64個，代表輸入的64位二進制明文或密文數(shù)據(jù)中每一位數(shù)從左至右的位置序號。置換表中的數(shù)字位置即為置換后數(shù)字對應(yīng)的原位置數(shù)據(jù)在輸出的64位序列中新的位置序號。例如，表中第一個數(shù)字為58，其表示輸入64位明文或密文二進制數(shù)據(jù)的第58位；而58位于第一位，則表示將原二進制數(shù)據(jù)的第58位換到輸出的第1位。
表1 DES的初始置換表IP
表2 DES的初始逆置換表IP-1
（2）輪函數(shù)f
DES的輪函數(shù)如圖2所示，其可被描述為4步。
圖2 DES的輪函數(shù)
第一步：擴展E變換（expansion box，E盒），即將輸入的32位數(shù)據(jù)擴展為48位。擴展E變換如表3所示，表中元素的意義與初始置換基本相同，按行順序，從左至右共48位。例如，第一個元素為32，其表示48位輸出結(jié)果的第一位數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為原輸入32位數(shù)據(jù)中的第32位上的數(shù)據(jù)。
表3 E盒擴展表
E盒的真正作用是確保最終的密文與所有的明文都有關(guān)。
第二步：將第一步輸出結(jié)果的48位二進制數(shù)據(jù)與48位子密鑰ki按位做異或運算，結(jié)果自然為48位。然后將運算結(jié)果（48位二進制數(shù)據(jù)）從左到右每6位分為一組，共分8組。
第三步：將8組6位的二進制數(shù)據(jù)分別裝入8個不同的S盒，即每個S盒輸入6位數(shù)據(jù)，輸出4位數(shù)據(jù)，然后再將8個S盒輸出的8組4位數(shù)據(jù)依次連接，重新合并為32位數(shù)據(jù)。
第四步：將第三步合并生成的32位數(shù)據(jù)經(jīng)P盒（permutation box）置換，輸出新的32位數(shù)據(jù)。P盒置換如表4所示。
表4 P盒置換表
P盒置換表中的數(shù)字前面的相似。按行的順序，從左到右，表中第i個位置對應(yīng)的數(shù)據(jù)j表示輸出的第i位數(shù)據(jù)為輸入的第j位數(shù)據(jù)。P盒的8行4列與8個S盒在設(shè)計準(zhǔn)則上有一定的對應(yīng)關(guān)系，但從應(yīng)用角度來看，依然是按行的順序。P盒輸出的32位數(shù)據(jù)即為輪函數(shù)的最終輸出結(jié)果。
（3）替換盒
替換盒（substitution box，S盒）是DES的核心部分。利用通過S盒定義的非線性替換，DES實現(xiàn)了明文消息在密文消息空間上的隨機非線性分布。S盒的非線性替換特征意味著，給定一組輸入-輸出值，很難預(yù)計所有S盒的輸出。
共有8種不同的S盒，如圖3所示，每種S盒接收的6位數(shù)據(jù)（輸入）均可通過定義的非線性映射變換為4位的輸出。一個S盒有一個16列4行數(shù)表，它的每個元素都是一個4位二進制數(shù)，通常表示為十進制數(shù)0～15。IBM公司已經(jīng)公布了S盒與P盒的設(shè)計準(zhǔn)則，感興趣的朋友可以查閱相關(guān)資料進行學(xué)習(xí)。
圖3 8種不同的S盒
S盒的替代運算規(guī)則：設(shè)輸入的6位二進制數(shù)為“b1b2b3b4b5b6”，則以“b1b6”組成的二進制數(shù)為行號，以“b2b3b4b5”組成的二進制數(shù)為列號，取出S盒中行列交點處的數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)輸出。由于表中十進制數(shù)的范圍是0～15，因此以二進制表示正好4位。以6位輸入數(shù)據(jù)“011001”經(jīng)S1替代運算為例，如圖4所示，取出1行12列處的元素9，由于9=（1001）2，故輸出4位二進制數(shù)為“1001”。
圖4 S盒替代運算舉例
（4）DES的子密鑰
在DES加密過程中需要16個48位的子密鑰。子密鑰是由用戶提供的64位密鑰經(jīng)16輪迭代運算依次生成的。DES子密鑰生成過程如圖5所示，主要可分為3個階段。
圖5 DES子密鑰生成過程
第一階段：用戶提供由8個字符組成的密鑰，將其轉(zhuǎn)換成ASCII的64位，再經(jīng)置換選擇1（如表5所示）去除8個奇偶校驗位，并重新排列各位。由表5可知，8、16、24、32、40、48、56、64位舍去了，重新組合后得到56位。由于舍去規(guī)則是固定的，因而實際使用的初始密鑰只有56位。
表5 置換選擇1
第二階段：將上一步置換選擇后生成的56位密鑰分成左右兩個部分，前28位記為C，后28位記為D。然后分別將28位的C、D循環(huán)左移位一次，移位后將分別得到的C1、D1作為下一輪子密鑰生成的位輸入。每輪迭代循環(huán)左移位的次數(shù)遵循固定的規(guī)則，如表6所示。
表6 循環(huán)左移位的次數(shù)
第三階段：將C1、D1合并后得到的56位數(shù)據(jù)（C1，D1）經(jīng)置換選擇2（如表7所示），即經(jīng)固定的規(guī)則，置換選擇出重新排列的48位二進制數(shù)據(jù)，即為子密鑰k1。
表7 置換選擇2
將C1、D1作為下一輪的輸入，迭代第二、第三兩個階段，即可得到k2。這樣經(jīng)過16輪迭代即可生成16個48位的子密鑰。
（5）DES的解密算法
DES的解密算法與加密算法相同，只是子密鑰的使用次序相反，即第一輪用第16個子密鑰，第二輪用第15個子密鑰，以此類推，最后一輪用第1個子密鑰。
2、DES的安全性
自從DES被采納為美聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)以來，其安全性一直值得思考并充滿爭論。
實際中使用的56位密鑰，共有256≈7.2×1016種可能。一臺每毫秒執(zhí)行一次DES加密運算的計算機，即使僅搜索一半的密鑰空間，也需要用1000年的時間才能破譯出密文。所以，在20世紀(jì)70年代的計算機技術(shù)條件下，窮舉攻擊明顯不太實際。DES是一種非常成功的密碼技術(shù)。
每毫秒執(zhí)行一次運算的假設(shè)過于保守，隨著計算機硬件與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，56位的密鑰顯得太短，無法抵抗窮舉搜索攻擊，尤其到了20世紀(jì)90年代后期。1997年，美國克羅拉多州程序員利用互聯(lián)網(wǎng)上的14000多臺計算機，花費96天時間，成功破解了DES密鑰。更為嚴重的是，1998年，電子前哨基金會（Electronic Frontier Foundation，EFF）設(shè)計出了專用的DES密鑰搜索機，該機器只需要56小時就能破解一個DES密鑰。更糟糕的是，電子前哨基金會公布了這種機器的設(shè)計細節(jié)，如此一來，隨著硬件速度的提高和造價的下降，任何人都能擁有一臺高速破譯機，這最終必將導(dǎo)致DES毫無價值。1998年年底，DES停止使用。
克服短密鑰缺陷的一個解決辦法是使用不同的密鑰，多次運行DES算法。這種方案被稱為加密-解密-加密三重DES方案，即3DES。如圖6所示，2組56位密鑰，實現(xiàn)3次加密。1999年，3DES被頒布為新標(biāo)準(zhǔn)。
圖6 三重DES加密原理
原文來源：計算機與網(wǎng)絡(luò)安全
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