2019/04/10 10:10

# 1 简介

## 1.2 结构

DES使用了典型的Feistel结构（见维基百科)，只在开始时添加了一个初始置换和结束时添加了一个逆初始置换。

16轮加密结束后，会首先进行一次左右部分的互换，再进行一次逆初始置换($IP^{-1}$)就得到了64bit的密文分组，下面我们来详细介绍每一轮操作具体发生了什么，以及轮密钥是如何生成的。

# 2 算法描述

## 2.1 $IP,IP^{-1}$

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

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

## 2.2 轮加密

• 扩张：将32bit的右半部分拓张为48bit的值，从下表可以看出，实际上就是以4bit为一组，把原本左右相邻的bit复制一次，扩张为6*8=48bit
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
• 轮密钥加：将拓展置换生成的48bit与轮密钥异或，轮密钥同样是48bit的，轮密钥如何生成将在下一部分解释

• S盒替换：S盒是DES中最核心的部分，有了S盒DES才具有了非线性的性质，安全性得到保障。S盒将输入的48bit转化位32bit的输出，它的实现细节可以简述为：S盒共8个，每个S盒可以看作一个4*16的矩阵，将输入每6bit一组输入对应的S盒，输入的第0、5bit组合起来决定行数，中间4bit组合起来决定列数，S盒也是DES中最有争议的一部分，因为它的设计原则并未公开，被怀疑装有后门，具体的S盒是这样规定的：

S1
x0000x x0001x x0010x x0011x x0100x x0101x x0110x x0111x x1000x x1001x x1010x x1011x x1100x x1101x x1110x x1111x
0yyyy0 14 4 13 1 2 15 11 8 3 10 6 12 5 9 0 7
0yyyy1 0 15 7 4 14 2 13 1 10 6 12 11 9 5 3 8
1yyyy0 4 1 14 8 13 6 2 11 15 12 9 7 3 10 5 0
1yyyy1 15 12 8 2 4 9 1 7 5 11 3 14 10 0 6 13
S2
x0000x x0001x x0010x x0011x x0100x x0101x x0110x x0111x x1000x x1001x x1010x x1011x x1100x x1101x x1110x x1111x
0yyyy0 15 1 8 14 6 11 3 4 9 7 2 13 12 0 5 10
0yyyy1 3 13 4 7 15 2 8 14 12 0 1 10 6 9 11 5
1yyyy0 0 14 7 11 10 4 13 1 5 8 12 6 9 3 2 15
1yyyy1 13 8 10 1 3 15 4 2 11 6 7 12 0 5 14 9
S3
x0000x x0001x x0010x x0011x x0100x x0101x x0110x x0111x x1000x x1001x x1010x x1011x x1100x x1101x x1110x x1111x
0yyyy0 10 0 9 14 6 3 15 5 1 13 12 7 11 4 2 8
0yyyy1 13 7 0 9 3 4 6 10 2 8 5 14 12 11 15 1
1yyyy0 13 6 4 9 8 15 3 0 11 1 2 12 5 10 14 7
1yyyy1 1 10 13 0 6 9 8 7 4 15 14 3 11 5 2 12
S4
x0000x x0001x x0010x x0011x x0100x x0101x x0110x x0111x x1000x x1001x x1010x x1011x x1100x x1101x x1110x x1111x
0yyyy0 7 13 14 3 0 6 9 10 1 2 8 5 11 12 4 15
0yyyy1 13 8 11 5 6 15 0 3 4 7 2 12 1 10 14 9
1yyyy0 10 6 9 0 12 11 7 13 15 1 3 14 5 2 8 4
1yyyy1 3 15 0 6 10 1 13 8 9 4 5 11 12 7 2 14
S5
x0000x x0001x x0010x x0011x x0100x x0101x x0110x x0111x x1000x x1001x x1010x x1011x x1100x x1101x x1110x x1111x
0yyyy0 2 12 4 1 7 10 11 6 8 5 3 15 13 0 14 9
0yyyy1 14 11 2 12 4 7 13 1 5 0 15 10 3 9 8 6
1yyyy0 4 2 1 11 10 13 7 8 15 9 12 5 6 3 0 14
1yyyy1 11 8 12 7 1 14 2 13 6 15 0 9 10 4 5 3
S6
x0000x x0001x x0010x x0011x x0100x x0101x x0110x x0111x x1000x x1001x x1010x x1011x x1100x x1101x x1110x x1111x
0yyyy0 12 1 10 15 9 2 6 8 0 13 3 4 14 7 5 11
0yyyy1 10 15 4 2 7 12 9 5 6 1 13 14 0 11 3 8
1yyyy0 9 14 15 5 2 8 12 3 7 0 4 10 1 13 11 6
1yyyy1 4 3 2 12 9 5 15 10 11 14 1 7 6 0 8 13
S7
x0000x x0001x x0010x x0011x x0100x x0101x x0110x x0111x x1000x x1001x x1010x x1011x x1100x x1101x x1110x x1111x
0yyyy0 4 11 2 14 15 0 8 13 3 12 9 7 5 10 6 1
0yyyy1 13 0 11 7 4 9 1 10 14 3 5 12 2 15 8 6
1yyyy0 1 4 11 13 12 3 7 14 10 15 6 8 0 5 9 2
1yyyy1 6 11 13 8 1 4 10 7 9 5 0 15 14 2 3 12
S8
x0000x x0001x x0010x x0011x x0100x x0101x x0110x x0111x x1000x x1001x x1010x x1011x x1100x x1101x x1110x x1111x
0yyyy0 13 2 8 4 6 15 11 1 10 9 3 14 5 0 12 7
0yyyy1 1 15 13 8 10 3 7 4 12 5 6 11 0 14 9 2
1yyyy0 7 11 4 1 9 12 14 2 0 6 10 13 15 3 5 8
1yyyy1 2 1 14 7 4 10 8 13 15 12 9 0 3 5 6 11

例如“011011”的输入的外侧位为“01”，内侧位为“1101”，即第2行，第14列。因此在S5中的对应输出为“1001”（十进制的9）

• P置换：P置换将S盒输出的32位数据重新排列

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

# 3 轮密钥生成

## 3.1 选择置换（PC-1）

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

1 1
2 1
3 2
4 2
5 2
6 2
7 2
8 2
9 1
10 2
11 2
12 2
13 2
14 2
15 2
16 1

## 3.3 压缩置换（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

# 参考资料

1. 维基百科DES
2. DES描述 NIST
3. 密码编码学与网络安全原理与实践（英文版）第七版

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