不久前我写了一篇AES加密算法，但它属于高级加密标准。今天我们来聊一聊数据加密算法，即DES。

引言

        首先我们先了解一下DES的发展历史，数据加密标准是美国IBM公司的研究人员Horst Feistel和Walter Tuchman于20世纪70年代中期提出的一个密码算法（LUCIFER算法（金星算法））的基础上发展而来的，并于1977年1月15日由美国国家标准局（NBS）正式公布实施，是第一个公开的商用密码算法标准，并得到了IOS的认可。在过去的40多年里，DES被广泛的应用于美国联邦和各种商业信息的安全保密工作中，经受了各种密码分析和攻击，体现出来令人满意的安全性。但随着密码分析技术和计算机计算能力的提高，DES算法不再安全。1994年，美国决定于1998年12月之后不再使用DES算法，在2000年，DES算法已经被更为安全的AES算法，即高级加密标准所取代。虽然这样，目前还无法将DES算法完全、彻底地破解，而且DES算法的加解密过程非常快，仍是当前使用最为常见的分组密码算法。

算法流程

1.初始置换（IP）

操作流程：

①输入64bit的明文块

②按照初始置换表进行置换

例：

输入的64 bits的明文块为01100011 01101111 01101101 0111000 0111010 01110100 01100101 01110010按照初始置换(IP)表进行置换。置换过程是输入的64bit明文块根据 置换表中的下表位置进行置换。

输入明文块的第1个bit为0，在置换表中找到1的位置为第5行第8列，将该bit填充至该位置

输入明文块的第40个bit为0，在置换表中找到40的位置为第4行第4列，将该bit填充至该位置

那么输出为多少呢？

输出该置换表的内容的步骤为：从第一行开始输出，一行输出完成后再输出下一行

故输出为：11111111 10111000 01110110 01010111 00000000 11111111 00000110 10000011

读者可以自行计算一下，是否理解了该过程。

2.轮结构

  操作流程：

①将IP置换后的64bit分为两部分，前32bit为左部分，记作L0，后32bit为右部分，记作R0

②下一轮的左部分是上一轮的右部分，下一轮的右部分为上一轮右部分与轮密钥Ki进行一次F函数变换，变换的结果再与上一轮左部分进行异或运算得到

③重复①②，总共进行16轮轮变换

以下是一轮变换示意图：

接下来我们对F函数进行详细的解析：

如示意图所示，F函数的第一个变换为E盒扩展

（1）E盒扩展

E盒扩展就是对输入的某些位进行扩展和置换，将32bit扩展为48bit，E盒扩展方式与初始置换类似

都是将对应位置的bit在E盒扩展表中找到对应位置填入，此处我不再对此进行赘述，填入方法参考初始置换（IP）

那么输出呢？

输出方式也于初始置换（IP）类似，此处不再赘述

例：

E盒输入的32 bits为R0=0000 0000 1111 1111 0000 0110 1000 0011，经过E盒扩展之后，得到的48 bits输出：100000 000001 011111 111110 100000 001101 010000 000110。

读者可以自行计算一下，是否理解该过程。

经过E盒扩展后得到48bit，我们要采取什么措施将其压缩至32bit方便下一轮右部分的产生呢？

（2）子密钥异或运算

我们将经过E盒扩展后的48bit输出与对应的48bit子密钥进行异或运算

例：

假设48 bits子密钥K1=01010000001011001010110001010100 0010001101000111，则异或操作如下：

输入：    100000  000001 011111  111110  100000  001101  010000 000110

子密钥： 010100 000010 110010  101100  010101 000010  001101  000111

输出：    110100  000011 101101  010010 110101  001111   011101  000001

读者可以自行计算一下，是否理解该过程。

（3）S盒替代

将异或运算后的48bit分为6组，每组8bit分别进入S盒进行代替压缩，最终实现将E盒扩展的48bit转换成32bit。S盒代替是DES算法的唯一一个非线性变换，是保证DES算法安全性的源泉。DES算法总共有8个固定的S盒，一个S盒 有16列和4行，每个元素4bit，通常用10进制表示。

每个S盒的使用方法为：S盒接受6bit后，6bit中的第1个bit和最后1个bit构成两位二进制数为该S盒的行号，6bit中间的4个bit二进制为该S盒的列号，然后根据行号和列号在对应的S盒中查找对应的值（一般为10进制数），该值就是S盒变换的输出，并转化为2进制数。

例：

若S盒输入的48 bits为110100 000011 101101 010010 110101 001111 011101 000001，则分成8组，每组6 bits，则对应的各S盒的行和列号如下：

 因此经过S盒作用，输出32 bits为：10011101100000100000010110000001。

读者可以自行计算一下，是否理解该过程。

（4）P盒置换

S盒压缩代替之后，输出的32bit作为F函数的最后变换P盒置换输入，P盒置换操作与初始置换（IP）类似，此处不再赘述。

例：

P盒置换输入：1001 1101 1000 0010 0000 0101 1000 0001 P盒置换输出：0000 0000 1100 1000 0110 1001 0001 1011

读者可以自行计算一下，是否理解该过程。

3.逆初始置换（IP-1）

DES在完成16轮变换后，得到的64bit数据作为IP-1逆初始置换的输入，经过IP-1逆初始置换表将64bit输入数据位置进行重现编排，得到输出64bit数据，为最终密文。

逆初始置换与初始置换类似，此处不再赘述

例：

输入逆初始置换的64bit为:11111111 10111000 01110110 01010111 00000000 11111111 00000110 10000011,按照逆初始置换表操作后，输出为：01100011 01101111 01101101 01110000 01110101 01110100 01100101 01110010

读者可以自行计算一下，是否理解该过程。

4.DES算法子密钥生成过程

DES算法规定密钥长度为64bit，其中有效密钥长度为56bit，在DES子密钥生成算法中直接使用，另外8bit在算法中不直接使用，可作为校验位。

操作流程：
①置换选择PC-1

通过置换选择PC-1，将初始密钥的8bit奇偶校验位去掉，并重新编排，留下真正的56bit有效位。置换选择PC-1与初始置换类似，此处不再赘述。

例：

输入: 00110000 00110001 00110010 00110011 00110100 00110101 00110110 00110111

输出: 00000000 00000000 11111111 11111100 11001111 00000000 00001111

读者可以自行计算一下，是否理解该过程。

②循环左移

将PC-1置换输出的56bit数据分位两组，每组28bit，分别记作C0与D0，再分别经过一个循环左移函数，每部分循环左移1或2位（每轮次移位位数不同），记作C1与D1

例：

前28 bits为C0=0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111

后28 bits为D0=1100 1100 1111 0000 0000 0000 1111

然后根据左循环移位函数进行左循环移位1或2位，各轮循环左移位位数如表所示。

根据表所示，C0及D0分别左循环1位得到

C1=000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 0，

D1=100 1100 1111 0000 0000 0000 1111 1。

读者可以自行计算一下，是否理解该过程。

③置换选择PC-2

将C1 与D1连接成56bit数据作为置换选择PC-2的输入，根据置换选择PC-2表重新进行编排和压缩，得到48bit的子密钥k1，而C1与D1作为下一轮子密钥的输入。

例：

将C1和D1连接，56 bits为000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 0 100 1100 1111 0000 0000 0000 1111 1作为置换选择PC-2的输入。

输出：01010000  00101100  10101100  01010100  00100011 01000111

读者可以自行计算一下，是否理解该过程。

DES算法流程总图