【 络安全】数据加密标准（DES算法）详细介绍（ 分组密码、Feistel密码结构、轮函数、子密钥生成算法）

文章目录

• • 1 分组密码
  • 2 Feistel密码结构
  • • 2.1 什么是Feistel密码结构
    • 2.2 Feistel密码结构流程图
    • 2.3 Feistel密码设计要素
  • 3 数据加密标准(DES)
  • • 3.1 什么是数据加密标准（DES）
    • 3.2 DES介绍
    • • 初始置换
      • 轮函数
      • • 扩展运算
        • 压缩运算
      • 子密钥生成算法
      • 逆初始置换

1 分组密码

将被加密明文划分成一个一个的分组，输入n比特明文分组，输出n比特密文分组。

若映射可逆，具有 $x^n!$ 种替换可能性。

如以下示例，每个4比特输入唯一映射为另一个4比特输出。

用流程图画出来就是这样的：

接下来介绍每一个操作的具体实现

初始置换

DES会有标准的置换矩阵，在实现算法的时候不要改动这些标准的矩阵，虽然改动了也可以完成加解密，但是与其他人通信的时候别人使用标准的置换矩阵就解密不出来了。

初始置换其实是一个矩阵置换（不是映射，这里只是改变了位置）的过程，这里左边是64比特明文输入，下边是标准的置换矩阵，我们需要对明文通过置换矩阵进行初始置换得到右边的矩阵（这里先称为密文矩阵，但其实不是最终的密文矩阵，只是第一步加密得到的）。

比如，置换矩阵的第一行第一列是58，我们在明文矩阵中找到第58个比特，然后放到密文矩阵的第一行第一列；置换矩阵的第一行第二列是50，所以在明文矩阵中找到第50个比特，然后放到密文矩阵的第一行第二列。按照这种方式，一一置换，得到第一次置换的矩阵。

扩展运算

我们说整个加密过程会先分组为64比特明文的输入，每个64比特再分为左右两部分，每个部分32比特，在论函数的第一步是对32比特进行扩展运行$E$，将32比特通过扩展矩阵变为48比特。

具体过程如下图所示，其实就是添加冗余。可以看到生成的扩展矩阵（48比特）第2列到第5列的值是原封不动加入进来的，第1列和第6列再从原来的32比特矩阵对应取出。（跟前面讲过的初始置换矩阵原理是一致的）

这里需要思考从48比特置换回32比特的操作（多到1）是可逆的吗实是可逆的，只需要将冗余去掉就得到原来的矩阵了。

那具体的映射规则是怎么样呢/p>

前面说的分成8个6比特的小组，我们称为S_1$...$S_8$一共8个S-BOX，每个S-BOX之下都有一张标准化的表（做算法的时候不要改动这些表，表中最大的值是15，因为最后要转化为4比特），且每个S-BOX的表都是不一样的。这里的规则是这样的：

• 输入的是6比特：$b_1{b}_2{b}_3{b}_4{b}_5{b}_6$，比如这里输入110011
• 将$b_1{b}_6$提取出来当作行，将$b_2{b}_3{b}_4{b}_5$提取出来当作列，那么提取出来的行是11（转为十进制是3），列是1001（十进制是9）
• 根据十进制的行是3，列是9，在S-BOX中找到第3行第9列的数字是14
• 再将14转化为二进制，是1100，这个1110就是压缩后的4比特。

如此，将全部8个6比特的小组都转化4比特。这里因为S-BOX表中有重复的值，所以逆操作是不唯一的，所以是压缩操作是不可逆的运算。

逆初始置换

逆初始置换的概念其实跟前面讲过的初始置换是有联系的，我们前面通过置换矩阵将M1…M64的明文矩阵打乱为密文矩阵，这里的逆初始置换操作跟初始置换是一样的，只是使用的是的逆置换矩阵。

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