一、背景与历史

数据加密标准（Data Encryption Standard，DES）也称为数据加密算法（Data Encryption Algorithm，DEA）（ANSI）和DEA-1（ISO），是最近20年来使用的加密算法。介绍DES的细节还有两个作用：第一：介绍DES；第二，更重要的是分析和理解实际的加密算法。利用这个方法，我们还要从概念上介绍其他的加密算法，但不准备深入介绍，因为通过DES介绍已经可以了解计算机加密算法的工作原理。
DES的产生可以追溯到1972年，美国的国家标准局(NBS,即现在的国家标准与技术会NIST)启动了一个项目，旨在保护计算机和计算机通信中的数据。它们想开发一个加密算法。两年之后，NBS发现IBM公司的Lucifer相当理想，没必要从头开发一个新的加算法。经过几次讨论，NBS于1975年发布了这个加密算法的细节。到1976年底,美国邦政府决定采用这个算法，并将其更名为DES。不久，其他组织也认可和采用DES作为算法。

二、DES的工作原理

1.基本与原理
DES是个块加密法，按64位块长加密数据，即把64位明文作为DES的输入，产生64位密文输出。加密与解密使用相同的算法和密钥，只是稍作改变。密钥长度位56位，下图显示了DES的工作原理：

DES使用56位密钥。实际上，最初的密钥是64位，但在DES过程开始之前放弃密钥的第8位，从而得到56位密钥，即放弃第8、16、24、32、40、48、56和64位。放弃之前，可以用这些位进行奇偶校验，保证密钥中不包含任何错误。
简单地说，DES利用加密的两个基本属性：替换和变换。DES一共16步，每一步称为一轮，每一轮进行替换与变换步骤，下面介绍DES的主要步骤：
（1）首先将64位明文块送入初始置换函数。
（2）对明文进行初始置换。
（3）初始置换产生转换块的两半，假设为左明文（LPT）和右明文（RPT）。
（4）每个左明文与右明文经过16轮加密过程，各有各的密钥。
（5）最后，将左明文和右明文重新连接起来，对组成的块进行最终置换。
（6）这个过程的结果得到64位密文。
其过程如下图：

2.初始置换
初始置换只发生一次，是在第一轮之前进行的，指定初始置换中的变换如何进行，如下表所示。例如，它指出初始置换将原明文块中的第一位换成原明文块的第58位，第二位换成明文块的第50位，等等，这只是把明文块的进行移位。

上表显示了IP使用的一部分变换规则表。IP完成后，得到的64位置换文本块分成两半，各32位，左块称为左明文（LPT），右块称为右明文（RPT）。然后对这两块进行16轮操作。
3.DES的一轮
DES的每一轮包括如下图所示的所有步骤：

第一步：密钥交换
最初的64位密钥通过放弃每个第8位而得到的56位密钥。这样，每一轮有56位密钥。每一轮从这个56位密钥产生不同的48位子密钥，称为密钥交换。为此，56位密钥分成两半，各为28位，循环左移一位或两位。例如，可以用下表显示每一轮移动的密钥位数：

相应移位后，选择56位中的48位。选择56位中的48位时使用如下表：

由于密钥交换要进行置换和选择56位的48位，因此称为压缩置换。
第二步：扩展置换
经过初试置换后，我们得到两个32位的明文区，分别称为左明文和右明文。扩展置换将32位扩展到48位。除了从32位扩展到48位之外，这些位也进行置换，因此称为扩展置换，其过程可以如下表示：
（1）将32位右明文分成8块，每块各有4位。
（2）将上一步的每个4位块扩展成6位，即每个4位块增加2位。增加的2位实际上是重复4位块的第一位和第四位。其扩展的流程如下图：

注意第一个输入位在第二个输入位重复，并在48位重复，同样第32个输出位在第47个输出位和第一个输出位。因此扩展置换实际上可以用如下表所示：

现在将密钥与48位右明文进行异或运算，将结果传递到下一步。
第三步：S盒替换
S盒替换过程从压缩密钥与扩展右明文异或运算得到的48位输入用替换技术得到32位输出。替换使用了8个替换盒（也称为S盒），每个盒有6个输入位和4个输出位。48位输入块分成8个字块（各有6位），每个子块制定一个S盒。S盒将6为输入变成4位输出，其过程如下图所示：

可以把每个S盒看成一个表，4行（0到3）和16列（0到15），这样共有8个表。在每个行和列的相交处，有一个4位数（是S盒的4位输出），S盒的8个表，如下表所示：

6位输入表示选择哪个行哪个列（即那个交点），因此确定4个输出。假设S盒的6位表示为b1、b2、b3、b4、b5、与b6。现在，b1和b6组合，形成一个两位数，两位数可以存储0到3的任何值，它指定行号。其余四位b2、b3、b4和b5形成一个四位数，指定0到15的列号。这样，这个6位输入自动选择行号和列号，可以选择输出。所有S盒的输出组成32位块，传递到一轮的下一阶段，即P盒置换。
第四步：P盒置换
所有S盒的输出组成32位块，对该32位要进行P盒置换。P盒置换机制只是进行简单的置换（即按P表指定把一位换成另一位，而不进行扩展的压缩）。下表显示了P盒：

第一块的16位表示源输入的第16位移到输出的第一位，第16块的10表示源输入的第10位移到输出的第16位。
第五步：异或或交换
注意上述步骤只是处理了64位明文的右边32位（即右明文），还没有处理左边部分（左明文）。这时，最初的64位明文的左半部分与P盒置换的结果进行异或运算，结果成为新的右明文，并通过交换将旧的右明文变成新的左明文，其过程如下图所示：

4.最终置换
16轮结束之后，进行最终置换（只有一次），即按如下表格进行变换：

上表所示可以发现第40位输入代替第1位输出，等等。
最终置换的输出就是64位加密块。
5.DES解密
DES加密算法也适用于解密，各个表的值和操作及其顺序是经过精心选择的，使得这个算法可逆。加密与解密过程的唯一差别是密钥部分倒过来了。如果原先的密钥K分解为K1，K2，K3，…，K16，用于16轮加密，则解密密钥应为K16，K15，K14，…，K1。
6.分析DES
S盒的使用：DES中的替换表被IBM保密，IBM花费17年的时间提出了S盒的内部设计。一些研究认为，通过S盒，可以对DES进行一定范围的攻击，但是知道现在，也没有具体示例出现。
密钥长度：任何加密系统都有两个重要方面：加密算法和密钥。DES算法的内部工作原理对公众是完全公开的。因此，DES的抗攻击强度只能依赖密钥，这必须是保密的。
DES使用的是56位密钥，这样就有$2^{56}$中可能的密钥，这看起来使用蛮力攻击不太实际的。假设即使检查一般密钥（即一般密钥空间）就可以找到正确的密钥，一台计算机每微秒进行一次DES加密，也要1000年的时间才能破解。
差分与线性密码分析：1990年，EH Biham与Adi Shamir引人了差分密码分析的概念。这个方法寻找明文具有特定差分的密文对，在明文经过DES不同轮次时分析这些差分的进展。目的是选择具有固定差别的明文对。可以随机选择两个明文，只要其满足特定差分条件(可以是简单异成)。然后在得到的密文中使用差别，对不同密钥指定不同相似性。分析越来越多的密文对后，就可以得到正确的密钥。
线性密码分析攻击是Mitsuru Matsui发明的，采用线性近似法。如果把一些明文位进行异或操作,把一些密文位进行异或，然后把结果进行异或，则会得到一个位，是一些密钥位的异成。
计时攻击：计时攻击更多的是针对非对你密钥加密，但也可用于对称密钥加密。其思想很简单:观察加密算法在解密不同密文块所花费的时间长短。通过观察这些计时，来尝试获得明文或用于加密的密钥。通常，解密不同长度的明文块所花费的时间是不同的。