des密码原理（des加密详解图文） - 原点资讯

前言

本篇博文将介绍对称密码算法中的DES密码的算法原理与代码实现（Java）

DES算法原理

DES加密算法是 对称加密 算法（加密和解密使用同一个密钥）中的一种，DES也是 分组密码 ，以64位为分组对明文进行加密。

DES算法会对明文进行16轮的迭代加密，具体的算法过程可以看下面这图（来自文末参考博文中的图，做了一些修改）。看一遍有点绕就那笔跟着走一遍。

des密码原理,des加密详解图文(1)

下面这张图是每次迭代的的一个提取，我们从中可以直接观察到的就是 迭代的两个规律 ：

Li = Ri-1 Ri = Li-1 ^ F(Ri-1, Ki)

上一轮的输出作为下一轮加密的输入（也就是迭代的过程）。同样， 子密钥也是迭代产生 。

des密码原理,des加密详解图文(2)

在总体概览了一遍后，我们可以将DES算法分为3部分来讲解。从第一张图从右往左，轮子密钥（子密钥）的生成、F函数的实现以及16次迭代的过程。

子密钥的产生

des密码原理,des加密详解图文(3)

如图上的流程图所示，将所给的初始64位密钥（若是密钥不足64位则前面加0补充至64位），经过PC-1置换压缩成56位。然后 分成左右28位 ，表示成C0， D0。C0和D0按照循环左移表来分别循环左移，此处是第一次循环，所以循环左移1次，生成C1和D1。然后C1和D1合并成56位密钥 经过PC-2置换压缩成48位 的K1。

K2的生成过程：C1和D1分别循环左移1次，然后合并经过PC-2置换压缩成K2。Ki的生成就为Ci-1和Di-1分别循环左移，然后合并经过PC-2置换压缩而成。

PC-1 置换表 PC-2置换表循环左移表

//PC-1置换表 private int[] PC1={ 57,49,41,33,25,17,9, 1,58,50,42,34,26,18, 10,2,59,51,43,35,27, 19,11,3,60,52,44,36, 63,55,47,39,31,23,15, 7,62,54,46,38,30,22, 14,6,61,53,45,37,29, 21,13,5,28,20,12,4}; //PC-2置换表 private int[] PC2={ 14,17,11,24,1,5,3,28, 15,6,21,10,23,19,12,4, 26,8,16,7,27,20,13,2, 41,52,31,37,47,55,30,40, 51,45,33,48,44,49,39,56, 34,53,46,42,50,36,29,32}; //循环左移次数表 private int[] leftTable = {1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1};

F函数的原理

F函数的内部还是比较复杂，不过问题不大。我们按照F函数内部执行顺序来可以分为以下几步：

Ri-1做一个E扩展，从 32位扩展成48位
Ri-1与Ki异或运算，然后将异或运算的结果 经过S盒选择压缩成32位
从S盒出来的32位结果再经过P置换，就得到最终的32位Ri

Ri-1做扩散选择的表如下：

//E扩展 private int[] ETable={ 32,1,2,3,4,5, 4,5,6,7,8,9, 8,9,10,11,12,13, 12,13,14,15,16,17, 16,17,18,19,20,21, 20,21,22,23,24,25, 24,25,26,27,28,29, 28,29,30,31,32,1};

从S盒出来的32位结果经过的P表如下：

//P置换 private int[] P={ 16,7,20,21,29,12,28,17, 1,15,23,26,5,18,31,10, 2,8,24,14,32,27,3,9, 19,13,30,6,22,11,4,25};

在这三步中最为机密的就是S盒的选择压缩了。S盒是如何实现选择压缩呢？我们就要知道S的结构了。

S盒的结构

des密码原理,des加密详解图文(4)

我们可以看出，进入S盒后将Ri-1与Ki异或的值分成8组，每组6位，分别进入S1-S8盒，然后从每个盒中出4位，合并成32位的结果。

若是还想探究6位变成4位是如何的变换的，就需要看下面这点介绍：

des密码原理,des加密详解图文(5)

我们以进入S!盒为例，假设进入的6位二进制数为101001，我们一般将第一位和最后一位（从左到右）作为行坐标，中间四位作为纵坐标找值。11即3行，0100即4列（从0开始编号），最后选出的值就为4，四位二进制表示则为0100。

16次的迭代加密

最初我们需要将初始的明文做一个IP置换，然后分成左右各32位即L0 R0，带入L0、R0去计算L1和R1。

16次迭代的规律为：

Li = Ri-1 Ri = Li-1 ^ F(Ri-1, Ki)

最后，L16与R16直接交换赋给L17和R17(L17=R16, R17=L16)，然后L17与R17合并后通过IP逆置换生成最终的密文。

以上，便是加密过程，解密可以说是加密的逆向过程。解密为何反向就可以解密，还需要各位看官另觅资料~

DES算法Java实现（完整）

package symmetricipher; /** * @description: 代码实现Des算法加解密 * @author sakura * @date 2019年3月25日下午12:52:21 */ /* * 1.主要的一个迭代公式 Li=Ri Ri = Li-1 ⊕F(Li-1,Ki) * 2.整体可以分为加解密运算 F函数的处理子密钥的产生 * 3.子秘钥产生：64位经过PC-1密钥置换成56位分为Ci Di左右各28为位然后根据循环左移表来左移最后经过PC-2置换成48位的密钥Ki * 4.F函数的处理：Li-1（32位）经过E盒扩展成48位； 48位的Li-1与子秘钥Ki进行异或； * 异或的结果经过S盒（8个盒子 6进4出）生成32位；32位再经过P盒转换成最后32位F函数处理后的结果 * 5.加解密运算这边：先将明文做一个IP置换，然后将64位分成左右32位L0,R0 然后开始迭代；到第16次，做IP逆置换生成最终的密文 * * 6.解密运算： * 加密反过来 * */ public class DES { //初始IP置换 private int[] IP={ 58,50,42,34,26,18,10,2, 60,52,44,36,28,20,12,4, 62,54,46,38,30,22,14,6, 64,56,48,40,32,24,16,8, 57,49,41,33,25,17,9,1, 59,51,43,35,27,19,11,3, 61,53,45,37,29,21,13,5, 63,55,47,39,31,23,15,7}; //IP逆置换 private int[] IP1={ 40,8,48,16,56,24,64,32, 39,7,47,15,55,23,63,31, 38,6,46,14,54,22,62,30, 37,5,45,13,53,21,61,29, 36,4,44,12,52,20,60,28, 35,3,43,11,51,19,59,27, 34,2,42,10,50,18,58,26, 33,1,41,9,49,17,57,25}; //E扩展 private int[] ETable={ 32,1,2,3,4,5, 4,5,6,7,8,9, 8,9,10,11,12,13, 12,13,14,15,16,17, 16,17,18,19,20,21, 20,21,22,23,24,25, 24,25,26,27,28,29, 28,29,30,31,32,1}; //P置换 private int[] P={ 16,7,20,21,29,12,28,17, 1,15,23,26,5,18,31,10, 2,8,24,14,32,27,3,9, 19,13,30,6,22,11,4,25}; //S盒 private static final int[][][] SBox = { { { 14, 4, 13, 1, 2, 15, 11, 8, 3, 10, 6, 12, 5, 9, 0, 7 }, { 0, 15, 7, 4, 14, 2, 13, 1, 10, 6, 12, 11, 9, 5, 3, 8 }, { 4, 1, 14, 8, 13, 6, 2, 11, 15, 12, 9, 7, 3, 10, 5, 0 }, { 15, 12, 8, 2, 4, 9, 1, 7, 5, 11, 3, 14, 10, 0, 6, 13 } }, { { 15, 1, 8, 14, 6, 11, 3, 4, 9, 7, 2, 13, 12, 0, 5, 10 }, { 3, 13, 4, 7, 15, 2, 8, 14, 12, 0, 1, 10, 6, 9, 11, 5 }, { 0, 14, 7, 11, 10, 4, 13, 1, 5, 8, 12, 6, 9, 3, 2, 15 }, { 13, 8, 10, 1, 3, 15, 4, 2, 11, 6, 7, 12, 0, 5, 14, 9 } }, { { 10, 0, 9, 14, 6, 3, 15, 5, 1, 13, 12, 7, 11, 4, 2, 8 }, { 13, 7, 0, 9, 3, 4, 6, 10, 2, 8, 5, 14, 12, 11, 15, 1 }, { 13, 6, 4, 9, 8, 15, 3, 0, 11, 1, 2, 12, 5, 10, 14, 7 }, { 1, 10, 13, 0, 6, 9, 8, 7, 4, 15, 14, 3, 11, 5, 2, 12 } }, { { 7, 13, 14, 3, 0, 6, 9, 10, 1, 2, 8, 5, 11, 12, 4, 15 }, { 13, 8, 11, 5, 6, 15, 0, 3, 4, 7, 2, 12, 1, 10, 14, 9 }, { 10, 6, 9, 0, 12, 11, 7, 13, 15, 1, 3, 14, 5, 2, 8, 4 }, { 3, 15, 0, 6, 10, 1, 13, 8, 9, 4, 5, 11, 12, 7, 2, 14 } }, { { 2, 12, 4, 1, 7, 10, 11, 6, 8, 5, 3, 15, 13, 0, 14, 9 }, { 14, 11, 2, 12, 4, 7, 13, 1, 5, 0, 15, 10, 3, 9, 8, 6 }, { 4, 2, 1, 11, 10, 13, 7, 8, 15, 9, 12, 5, 6, 3, 0, 14 }, { 11, 8, 12, 7, 1, 14, 2, 13, 6, 15, 0, 9, 10, 4, 5, 3 } }, { { 12, 1, 10, 15, 9, 2, 6, 8, 0, 13, 3, 4, 14, 7, 5, 11 }, { 10, 15, 4, 2, 7, 12, 9, 5, 6, 1, 13, 14, 0, 11, 3, 8 }, { 9, 14, 15, 5, 2, 8, 12, 3, 7, 0, 4, 10, 1, 13, 11, 6 }, { 4, 3, 2, 12, 9, 5, 15, 10, 11, 14, 1, 7, 6, 0, 8, 13 } }, { { 4, 11, 2, 14, 15, 0, 8, 13, 3, 12, 9, 7, 5, 10, 6, 1 }, { 13, 0, 11, 7, 4, 9, 1, 10, 14, 3, 5, 12, 2, 15, 8, 6 }, { 1, 4, 11, 13, 12, 3, 7, 14, 10, 15, 6, 8, 0, 5, 9, 2 }, { 6, 11, 13, 8, 1, 4, 10, 7, 9, 5, 0, 15, 14, 2, 3, 12 } }, { { 13, 2, 8, 4, 6, 15, 11, 1, 10, 9, 3, 14, 5, 0, 12, 7 }, { 1, 15, 13, 8, 10, 3, 7, 4, 12, 5, 6, 11, 0, 14, 9, 2 }, { 7, 11, 4, 1, 9, 12, 14, 2, 0, 6, 10, 13, 15, 3, 5, 8 }, { 2, 1, 14, 7, 4, 10, 8, 13, 15, 12, 9, 0, 3, 5, 6, 11 } } }; //PC-1置换表 private int[] PC1={ 57,49,41,33,25,17,9, 1,58,50,42,34,26,18, 10,2,59,51,43,35,27, 19,11,3,60,52,44,36, 63,55,47,39,31,23,15, 7,62,54,46,38,30,22, 14,6,61,53,45,37,29, 21,13,5,28,20,12,4}; //PC-2置换表 private int[] PC2={ 14,17,11,24,1,5,3,28, 15,6,21,10,23,19,12,4, 26,8,16,7,27,20,13,2, 41,52,31,37,47,55,30,40, 51,45,33,48,44,49,39,56, 34,53,46,42,50,36,29,32}; //循环左移次数表 private int[] leftTable = {1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1}; //加密轮数16轮 private static final int LOOP = 16; private String[] keys = new String[LOOP]; private String[] pContent; private String[] cContent; private int originLength; //初始明文长度 //16个子密钥 private int[][] subKey = new int[16][48]; //存储16次的子密钥 private String content; private int pOriginLegth; //明文初始长度？ //构造函数 public DES(String key, String content) { this.content = content; pOriginLegth = content.getbytes().length; generateSubKey(key); } //主函数入口 public static void main(String[] args) { String plainText = "SakuraOne"; System.out.println("明文： \n" plainText); String key = "IAMKEY"; DES des = new DES(key,plainText); byte[] c = des.group(plainText.getBytes(), true);//加密 System.out.println("密文：\n" new String(c)); byte[] p = des.group(c, false); //解密 byte[] pd = new byte[plainText.getBytes().length]; System.arraycopy(p, 0, pd, 0, plainText.getBytes().length); System.out.println("解密后的明文：\n" new String(pd)); } /** *拆分分组 */ public byte[] group(byte[] plainText, boolean decryption) { //填充明文长度为64位的整数 originLength = plainText.length; int gNum; int rNum; gNum = originLength/8; rNum = 8-(originLength-gNum*8); byte[] pPadding; if(rNum<8) { pPadding = new byte[originLength rNum]; System.arraycopy(plainText, 0, pPadding, 0, originLength); for(int i=0; i<rNum; i ) { pPadding[originLength 1]=(byte)rNum; } }else { pPadding = plainText; } gNum = pPadding.length/8; byte[] groupPT = new byte[8]; //64位分组单位 byte[] resultData = new byte[pPadding.length]; for(int i=0; i<gNum; i ) { System.arraycopy(pPadding, i*8, groupPT, 0, 8); System.arraycopy(encryptUnit(groupPT, subKey, decryption), 0, resultData, i*8, 8); } //如果是解密这里感觉什么也没有做呢？？ if(decryption == false) { byte[] pResultData = new byte[pOriginLegth]; System.arraycopy(resultData, 0, pResultData, 0, pOriginLegth); return pResultData; } return resultData; } /** *加密一个64位分组 * */ public byte[] encryptUnit(byte[]unit, int keysArray[][], boolean decryption) { //得到明文的01字符串 StringBuilder sb = new StringBuilder(); for(int i=0; i<8; i ) { String tmpBit = Integer.toBinaryString(unit[i] & 0xff); while(tmpBit.length()%8!=0) { tmpBit="0" tmpBit; } sb.append(tmpBit); } //将明文01字符串转换为数字01存放在数组中 int[] pBit = new int[64]; String pStr = sb.toString(); for(int i=0; i<64; i ) { int bit = Integer.valueOf(pStr.charAt(i)); if(bit == 48) { bit = 0; }else if(bit == 49){ bit = 1; }else { System.out.println("To bit error"); } pBit[i] = bit; } /*=========IP置换==========*/ int[] pIP = new int[64]; for(int i=0; i<64; i ) { pIP[i] = pBit[IP[i]-1]; } //加密 if(decryption) { //迭代16次 for(int i=0; i<16; i ) { loop(pIP, i, decryption, keysArray[i]); } }else { //解密反向迭代 for(int i=15; i>-1; i--) { loop(pIP, i, decryption, keysArray[i]); } } /*===========IP逆置换=============*/ int[] c = new int[64]; for(int i=0; i<IP1.length; i ) { c[i] = pIP[IP1[i]-1]; } byte[] cByte = new byte[8]; for(int i=0; i<8; i ) { cByte[i] = (byte)((c[8*i]<<7) (c[8*i 1]<<6) (c[8*i 2]<<5) (c[8*i 3]<<4) (c[8*i 4]<<3) (c[8*i 5]<<2) (c[8*i 6]<<1) (c[8*i 7])); } return cByte; //最终的密码字节数组 } //依次迭代过程 public void loop(int[] median, int times, boolean decryption, int[]keyArray ) { int[] l0 = new int[32]; int[] r0 = new int[32]; int[] l1 = new int[32]; int[] r1 = new int[32]; int[] f = new int[32]; //调用F函数后生成的结果 System.arraycopy(median, 0, l0, 0, 32); System.arraycopy(median, 32, r0, 0, 32); l1 = r0; f = fFunction(r0, keyArray); //调用F函数 for(int i=0; i<32; i ) { r1[i] = l0[i]^f[i]; //ri = li-1 ^ f[i] if(((decryption==false) && (times==0)) || ((decryption==true) && (times==15))) { median[i] = r1[i]; median[i 32] = l1[i]; }else { median[i] = l1[i]; median[i 32] = r1[i]; } } } /** * F函数 */ public int[] fFunction(int[] rContent, int[] key) { int[] result = new int[32]; int[] rXORkey = new int[48]; //ri扩展与 keyi异或 for(int i=0; i<ETable.length; i ) { rXORkey[i] = rContent[ETable[i]-1]^key[i]; } /*=============S-box替换将48位变成32位==============*/ int[][] s= new int[8][6]; int[] sAfter = new int[32]; for(int i=0; i<8; i ) { System.arraycopy(rXORkey, i*6, s[i], 0, 6); int r = (s[i][0]<<1) s[i][5]; //横坐标 int c = (s[i][1]<<3) (s[i][2]<<2) (s[i][1]<<1) s[i][4]; //纵坐标 String str = Integer.toBinaryString(SBox[i][r][c]); while(str.length() < 4) { str = "0" str; } for(int j=0; j<4; j ) { int p=Integer.valueOf(str.charAt(j)); if(p==48) { p=0; }else if(p==49) { p=1; }else { System.out.println("To bit error!"); } sAfter[4*i j] = p; } } /*===============P盒替换=====================*/ for(int i=0; i<P.length; i ) { result[i] = sAfter[P[i]-1]; } return result; } /** * description:生成子密钥 * * @param key 密钥 * */ public void generateSubKey(String key) { //当key的长度小于64位时要扩展至64位 while(key.length()<8) { key = key key; } key = key.substring(0, 8); //将字符密钥转换成二进制形式 byte[] keys = key.getBytes(); int[] kBit = new int[64]; for(int i=0; i<8; i ) { //每个字节即每8位&0000 0000 String kStr = Integer.toBinaryString(keys[i] & 0xff); //补齐8位 if(kStr.length()<8) { for(int t=0; t<8-kStr.length(); t ) { kStr = "0" kStr; } } //将01字符串转换成二进制01 for(int j=0; j<8; j ) { int p = Integer.valueOf(kStr.charAt(j)); if(p == 48) { p=0; }else if(p == 49) { p=1; }else { System.out.println("To bit error!"); } kBit[i*8 j] = p; } } //得到kBit 初始化的64位密钥然后进行PC-1压缩成56位 /*==============PC-1压缩===============*/ int[] kNewBit = new int[56]; for(int i=0; i<PC1.length; i ) { kNewBit[i] = kBit[PC1[i]-1]; } /*================初始密钥分组=============*/ int[] c0 = new int[28]; int[] d0 = new int[28]; System.arraycopy(kNewBit, 0, c0, 0, 28); System.arraycopy(kNewBit, 28, d0, 0, 28); //生成16个子密钥 for(int i=0; i<16; i ) { int[] c1 = new int[28]; int[] d1 = new int[28]; /*============ci、di分别循环左移===========*/ if(leftTable[i] == 1) { System.arraycopy(c0, 1, c1, 0, 27); c1[27]=c0[0]; System.arraycopy(d0, 1, d1, 0, 27); d1[27]=d0[0]; }else if(leftTable[i] == 2) { System.arraycopy(c0, 2, c1, 0, 26); c1[26]=c0[0]; c1[27]=c0[1]; System.arraycopy(d0, 2, d1, 0, 26); d1[26]=d0[0]; d1[27]=d0[1]; }else { System.out.println("leftTable error!"); } /*================ci、di合并 PC-2压缩置换=============*/ int[] tmp = new int[56]; System.arraycopy(c1, 0, tmp, 0, 28); System.arraycopy(d1, 0, tmp, 28, 28); for(int j=0; j<PC2.length; j ) { subKey[i][j] = tmp[PC2[j]-1]; } c0 = c1; d0 = d1; } } }

小结

这学期在上密码学的课程，课堂上听老师讲了对称加密算法中的DES算法，一直觉得挺绕。在上完实验课后勉强对其算法流程有了一个清晰认识。后面想着用算法实现或许会更明了，于是写代码实现。确实，自己实现一遍后对算法会更理解。粗糙地记录了下DES加解密的实现，以供参考。解密算法的验证需要大家另觅资料，本篇博文就不再介绍了~