DES加密算法

一、DES算法背景

DES（Data Encryption Standard，数据加密标准）是一种对称密钥加密算法，由IBM在1970年代设计，并于1977年被美国国家标准与技术研究院（NIST）采纳为联邦标准。尽管DES在历史上具有重要意义，但由于其密钥长度较短，现已被AES（Advanced Encryption Standard）等更安全的算法取代。

二、DES的核心特点

1. 对称加密

• 加密和解密使用相同的密钥，需通过安全渠道共享密钥。

2. 分组加密

• 将明文分为64位的数据块进行加密，密钥长度为56位（实际输入64位，含8位校验位）。

3. Feistel结构

• 采用16轮迭代的Feistel网络结构，每轮处理一半数据块，通过置换、替换和密钥混合实现混淆与扩散。

三、 DES的加密流程

1.初始置换（IP）置换

• 将输入的64位明文块按初始置换表进行置换和重新排列，生成新的64位数据块，分为左半部分L0和右半部分R0

2. 16轮Feistel轮函数

1. 扩展置换(E盒): 将32位右半部扩展到48bit

2. 与轮密钥k_i异或: 48bit结果与48bit的轮密钥k_i按位异或

3. S盒置换: 将48bit分为8组6bit，每组通过S盒进行6bit–>4bit的非线性替换，结果输出32bit数据

4. P盒置换: 对32bit输出结果进行固定置换，得到本轮结果T

5. 更新左右部分: L_n = R_n-1,R_n = L_n-1 ⊕ 本轮结果T

以上步骤进行16轮次变换

3. 逆初始置换（IP⁻¹置换）

• 对L₁₆、R₁₆进行最终合并，并将64位数据经过逆置换生成密文。

4. 轮密钥k_i生成

1. 置换选择1(PC^-1)：DES的64位密钥去除8位校验位，剩余56位通过PC^-1置换生成两个28位的左右半密钥。

2. 循环左移：每轮对左右部分密钥进行循环左移（移位次数由轮数决定）。

轮次	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
移位位数	1 1 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 1

3. 通过置换选择2（PC^-2）压缩为48位的子密钥K_i。

整体流程如下：

四、DES加密过程

DES的保密性

• 仅取决于对密钥的保密和密钥的长度，而算法是公开的。
  -20世纪70年代设计的DES，经过了世界上无数优秀学者几十年的密码分析，除了其56比特密钥长度太短，没有发现其任何大的设计缺陷。

五、DES局限性

优点

• ES 算法具有极高安全性，到目前为止，除了用穷举搜索法对DES算法进行攻击外，还没有发现更有效的办法。

局限性

• 计算能力提升：随着硬件发展，DES无法抵御现代算力攻击。
• 标准化替代：AES在安全性和效率上全面超越DES，成为新标准。
• 弱密钥问题：存在少量弱密钥（如全0或全1），可能导致加密强度降低

六、 三重DES

为了解决56比特DES密钥太短的问题，学者们提出了三重DES（Triple DES，3DES）。3DES在1985年成为美国的一个商用加密标准[RFC 2420]。

3DES使用3个密钥执行三次DES算法。

加密过程

解密过程