des原理详解
一．加密
DES算法处理的数据对象是一组64比特的明文串。设该明文串为
m=m1m2…m64 (mi=0或1)。明文串经过64比特的密钥K来加密，最后生成长度为64比特的密文E。其加密过程图示如下：
DES算法加密过程
对DES算法加密过程图示的说明如下：待加密的64比特明文串m，经过IP置换后，得到的比特串的下标列表如下：
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
该比特串被分为32位的L0和32位的R0两部分。R0子密钥K1(子密钥的生成将在后面讲)经过变换f(R0,K1)（f变换将在下面讲）输出32位的比特串f1,f1与L0做不进位的二进制加法运算。运算规则为：
f1与L0做不进位的二进制加法运算后的结果赋给R1，R0则原封不动的赋给L1。L1与R0又做与以上完全相同的运算，生成L2，R2…… 一共经过16次运算。最后生成R16和L16。其中R16为L15与f(R15,K16)做不进位二进制加法运算的结果，L16是R15的直接赋值。
R16与L16合并成64位的比特串。值得注意的是R16一定要排在L16前面。R16与L16合并后成的比特串，经过置换IP-1后所得比特串的下标列表如下：IP-1 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
经过置换IP-1后生成的比特串就是密文e.。
下面再讲一下变换f(Ri-1,Ki)。
它的功能是将32比特的输入再转化为32比特的输出。其过程如图所示：
对f变换说明如下：输入Ri-1(32比特)经过变换E后，膨胀为48比特。膨胀后的比特串的下标列表如下：
E: 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 31
膨胀后的比特串分为8组，每组6比特。各组经过各自的S盒后，又变为4比特(具体过程见后)，合并后又成为32比特。该32比特经过P变换后，其下标列表如下：
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
经过P变换后输出的比特串才是32比特的f (Ri-1,Ki)。
下面再讲一下S盒的变换过程。任取一S盒。见图：
在其输入b1,b2,b3,b4,b5,b6中，计算出x=b1*2+b6, y=b5+b4*2+b3*4+b2*8，再从Si表中查出x 行，y 列的值Sxy。将Sxy化为二进制，即得Si盒的输出。（S表如图所示）
至此，DES算法加密原理讲完了。在VC++6.0下的程序源代码为：
for(i=1;i<=64;i++)
m1[i]=m[ip[i-1]];//64位明文串输入，经过IP置换。
下面进行迭代。由于各次迭代的方法相同只是输入输出不同，因此只给出其中一次。以第八次为例：//进行第八次迭代。首先进行S盒的运算，输入32位比特串。
for(i=1;i<=48;i++)//经过E变换扩充，由32位变为48位
RE1[i]=R7[E[i-1]];
for(i=1;i<=48;i++)//与K8按位作不进位加法运算
RE1[i]=RE1[i]+K8[i];
for(i=1;i<=48;i++)
{
if(RE1[i]==2)
RE1[i]=0;
}
for(i=1;i<7;i++)//48位分成8组
{
s11[i]=RE1[i];
s21[i]=RE1[i+6];
s31[i]=RE1[i+12];
s41[i]=RE1[i+18];
s51[i]=RE1[i+24];
s61[i]=RE1[i+30];
s71[i]=RE1[i+36];
s81[i]=RE1[i+42];
}//下面经过S盒，得到8个数。S1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8分别为S表
s[1]=s1[s11[6]+s11[1]*2][s11[5]+s11[4]*2+s11[3]*4+s11[2]*8];
s[2]=s2[s21[6]+s21[1]*2][s21[5]+s21[4]*2+s21[3]*4+s21[2]*8];
s[3]=s3[s31[6]+s31[1]*2][s31[5]+s31[4]*2+s31[3]*4+s31[2]*8];
s[4]=s4[s41[6]+s41[1]*2][s41[5]+s41[4]*2+s41[3]*4+s41[2]*8];
s[5]=s5[s51[6]+s51[1]*2][s51[5]+s51[4]*2+s51[3]*4+s51[2]*8];
s[6]=s6[s61[6]+s61[1]*2][s61[5]+s61[4]*2+s61[3]*4+s61[2]*8];
s[7]=s7[s71[6]+s71[1]*2][s71[5]+s71[4]*2+s71[3]*4+s71[2]*8];
s[8]=s8[s81[6]+s81[1]*2][s81[5]+s81[4]*2+s81[3]*4+s81[2]*8];
for(i=0;i<8;i++)//8个数变换输出二进制
{
for(j=1;j<5;j++)
{
temp[j]=s[i+1]%2;
s[i+1]=s[i+1]/2;
}
for(j=1;j<5;j++)
f[4*i+j]=temp[5-j];
}
for(i=1;i<33;i++)//经过P变换
frk[i]=f[P[i-1]];//S盒运算完成
for(i=1;i<33;i++)//左右交换
L8[i]=R7[i];
for(i=1;i<33;i++)//R8为L7与f(R,K)进行不进位二进制加法运算结果
{
R8[i]=L7[i]+frk[i];
if(R8[i]==2)
R8[i]=0;
}
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DES算法及其在VC++6.0下的实现(下)
作者：航天医学工程研究所四室朱彦军
在《DES算法及其在VC++6.0下的实现(上)》中主要介绍了DES算法的基本原理，下面让我们继续：
二．子密钥的生成
64比特的密钥生成16个48比特的子密钥。其生成过程见图：
子密钥生成过程具体解释如下：
64比特的密钥K，经过PC-1后，生成56比特的串。其下标如表所示：
PC-1 57 49 41 33 25 17 9
1 58 50 4
2 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
该比特串分为长度相等的比特串C0和D0。然后C0和D0分别循环左移1位，得到C1和D1。C1和D1合并起来生成C1D1。C1D1经过PC-2变换后即生成48比特的K1。K1的下标列表为：
PC-2 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
C1、D1分别循环左移LS2位，再合并，经过PC-2，生成子密钥K2……依次类推直至生成子密钥K16。
注意：Lsi (I =1,2,….16)的数值是不同的。具体见下表：
迭代顺序1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
左移位数1 1 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 1
生成子密钥的VC程序源代码如下：
for(i=1;i<57;i++)//输入64位K，经过PC-1变为56位k0[i]=k[PC_1[i-1]];
56位的K0，均分为28位的C0，D0。C0，D0生成K1和C1，D1。以下几次迭代方法相同，仅以生成K8为例。for(i=1;i<27;i++)//循环左移两位
{
C8[i]=C7[i+2];
D8[i]=D7[i+2];
}
C8[27]=C7[1];
D8[27]=D7[1];
C8[28]=C7[2];
D8[28]=D7[2];
for(i=1;i<=28;i++)
{
C[i]=C8[i];
C[i+28]=D8[i];
}
for(i=1;i<=48;i++)
K8[i]=C[PC_2[i-1]];//生成子密钥k8
注意：生成的子密钥不同，所需循环左移的位数也不同。源程序中以生成子密钥K8为例，所以循环左移了两位。但在编程中，生成不同的子密钥应以Lsi表为准。
三．解密
DES的解密过程和DES的加密过程完全类似，只不过将16圈的子密钥序列K1，K2……K16的顺序倒过来。即第一圈用第16个子密钥K16，第二圈用K15，其余类推。
第一圈：
加密后的结果
L=R15, R=L15⊕f(R15,K16)⊕f(R15,K16)=L15
同理R15=L14⊕f(R14,K15), L15=R14。
同理类推：
得L=R0, R=L0。
其程序源代码与加密相同。在此就不重写。
四．示例
例如：已知明文m=learning, 密钥k=computer。
明文m的ASCII二进制表示：
m= 01101100 01100101 01100001 01110010
01101110 01101001 01101110 01100111
密钥k的ASCII二进制表示：
k=01100011 01101111 01101101 01110000
01110101 01110100 01100101 01110010
明文m经过IP置换后，得：
11111111 00001000 11010011 10100110 00000000 11111111 01110001 11011000
等分为左右两段：
L0=11111111 00001000 11010011 10100110 R0=00000000 11111111 01110001 11011000
经过16次迭代后，所得结果为：
L1=00000000 11111111 01110001 11011000 R1=00110101 00110001 00111011 10100101
L2=00110101 00110001 00111011 10100101 R2=00010111 11100010 10111010 10000111
L3=00010111 11100010 10111010 10000111 R3=00111110 10110001 00001011 10000100
L4=00111110101100010000101110000100
R4=11110111110101111111101000111110
L5=11110111110101111111101000111110
R5=10010110011001110100111111100101
L6=10010110011001110100111111100101
R6=11001011001010000101110110100111
L7=11001011001010000101110110100111
R7=01100011110011101000111011011001
L8=01100011110011101000111011011001
R8=01001011110100001111001000000100
L9=01001011110100001111001000000100
R9=00011101001101111010111011100001
L10=00011101001101111010111011100001
R10=11101110111110111111010100000101
L11=11101110111110111111010100000101
R11=01101101111011011110010111111000
L12=01101101111011011110010111111000
R12=11111101110011100111000110110111
L13=11111101110011100111000110110111
R13=11100111111001011010101000000100
L14=11100111111001011010101000000100
R14=00011110010010011011100001100001
L15=00011110010010011011100001100001
R15=01010000111001001101110110100011
L16=01010000111001001101110110100011
R16=01111101101010000100110001100001
其中，f函数的结果为：
f1=11001010001110011110100000000011
f2=00010111000111011100101101011111
f3=00001011100000000011000000100001
f4=11100000001101010100000010111001
f5=10101000110101100100010001100001
f6=00111100111111111010011110011001
f7=11110101101010011100000100111100 f8=10000000111110001010111110100011 f9=01111110111110010010000000111000 f10=10100101001010110000011100000001 f11=01110000110110100100101100011001 f12=00010011001101011000010010110010 f13=10001010000010000100111111111100 f14=11100011100001111100100111010110 f15=10110111000000010111011110100111 f16=01100011111000011111010000000000
16个子密钥为：
K1=11110000101111101110111011010000 K2=11100000101111101111011010010101 K3=11110100111111100111011000101000 K4=11100110111101110111001000011010 K5=11101110110101110111011100100110 K6=11101111110100110101101110001011 K7=00101111110100111111101111100110 K8=10111111010110011101101101010000 K9=00011111010110111101101101000100 K10=00111111011110011101110100001001 K11=00011111011011011100110101101000 K12=01011011011011011011110100001010 K13=11011101101011011010110110001111 K14=11010011101011101010111110000000 K15=11111001101111101010011011010011 K16=11110001101111100010111000000001
S盒中，16次运算时，每次的8 个结果为：第一次：5，11，4，1，0，3，13，9；
第二次：7，13，15，8，12，12，13，1；
第三次：8，0，0，4，8，1，9，12；
第四次：0，7，4，1，7，6，12，4；
第五次：8，1，0，11，5，0，14，14；
第六次：14，12，13，2，7，15，14，10；第七次：12，15，15，1，9，14，0，4；
第八次：15，8，8，3，2，3，14，5；
第九次：8，14，5，2，1，15，5，12；
第十次：2，8，13，1，9，2，10，2；
第十一次：10，15，8，2，1，12，12，3；
第十二次：5，4，4，0，14，10，7，4；第十三次：2，13，10，9，2，4，3，13；第十四次：13，7，14，9，15，0，1，3；第十五次：3，1，15，5，11，9，11，4；第十六次：12，3，4，6，9，3，3，0；
子密钥生成过程中，生成的数值为：
C0=0000000011111111111111111011
D0=1000001101110110000001101000
C1=0000000111111111111111110110
D1=0000011011101100000011010001
C2=0000001111111111111111101100
D2=0000110111011000000110100010
C3=0000111111111111111110110000
D3=0011011101100000011010001000
C4=0011111111111111111011000000
D4=1101110110000001101000100000
C5=1111111111111111101100000000
D5=0111011000000110100010000011
C6=1111111111111110110000000011
D6=1101100000011010001000001101
C7=1111111111111011000000001111
D7=0110000001101000100000110111
C8=1111111111101100000000111111
D8=1000000110100010000011011101
C9=1111111111011000000001111111
D9=0000001101000100000110111011
C10=1111111101100000000111111111 D10=0000110100010000011011101100 C11=1111110110000000011111111111 D11=0011010001000001101110110000 C12=1111011000000001111111111111 D12=1101000100000110111011000000 C13=1101100000000111111111111111 D13=0100010000011011101100000011 C14=0110000000011111111111111111 D14=0001000001101110110000001101 C15=1000000001111111111111111101 D15=0100000110111011000000110100 C16=0000000011111111111111111011 D16=1000001101110110000001101000