深入理解DES演算法：原理、實現與應用

Amd794發表於2024-04-14
演算法

title: 深入理解DES演算法：原理、實現與應用
date: 2024/4/14 21:30:21
updated: 2024/4/14 21:30:21
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  • DES加密
  • 對稱加密
  • 分組密碼
  • 金鑰管理
  • S盒P盒
  • 安全性分析
  • 替代演算法

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DES演算法簡介

歷史

DES（Data Encryption Standard）演算法是由IBM研發，並於1977年被美國國家標準局（NBS，現NIST）確定為資料加密標準。

設計目的

DES演算法的設計目的是提供一種高度安全的對稱加密演算法，用於保護敏感資訊的機密性。

DES演算法基本原理

DES演算法採用分組密碼，將明文分成64位一組，金鑰長度為56位。其基本原理是透過一系列的置換、替換和異或運算，利用金鑰對資料進行加密和解密。

資料處理過程

  1. 初始置換（Initial Permutation） ：

    • 將64位明文按照固定的順序重新排列，得到L0和R0兩部分，每部分32位。

  2. 輪函式（Round Function） ：

    • 包括擴充套件置換、與輪金鑰異或、S盒替換和P盒置換等操作。

  3. 輪金鑰生成（Key Schedule） ：

    • 根據56位初始金鑰生成16個48位輪金鑰，用於每一輪的加密過程。

  4. 16輪加密（16 Rounds Encryption） ：

    • 將明文經過初始置換後的L0和R0部分分別進行16輪的加密處理，每輪包括輪函式和金鑰混合。

  5. 逆初始置換（Final Permutation） ：

    • 將經過16輪加密後的資料按照逆序的方式重新排列，得到最終的64位密文資料。

DES演算法的安全性受到挑戰，主要是因為56位金鑰長度較短，易受到暴力破解攻擊。因此，現在通常不推薦使用DES演算法來加密敏感資料，而是選擇更安全的加密演算法，如AES演算法。

DES演算法的詳細解析

DES演算法的加密過程涉及多個步驟，下面將詳細探討每個步驟：

1. 初始資料置換（Initial Permutation, IP）

  • 目的：打亂明文的位順序，使得明文的統計特性和模式被隱藏。
  • 過程：64位的明文塊按照IP表定義的規則進行置換，IP表是一個固定的置換規則，決定了明文的哪些位應該被移動到什麼位置。

2. 金鑰生成（Key Schedule）

  • 目的：從56位的初始金鑰生成16個48位的輪金鑰。

  • 過程：

    • PC-1置換：初始金鑰首先透過PC-1置換，將金鑰分為左右兩部分，每部分28位。
    • 迴圈左移：對左右兩部分進行迴圈左移，左移的位數由輪數決定。
    • PC-2置換：將迴圈左移後的兩部分合並，並透過PC-2置換生成48位的輪金鑰。

3. 輪函式（Round Function）

  • 目的：透過一系列複雜的操作增強加密效果。

  • 過程：DES演算法包含16輪相同的操作，每輪操作如下：

    • 擴充套件置換（E-box） ：將Rn（右32位）透過E盒擴充套件到48位。
    • 與輪金鑰異或：將擴充套件後的48位資料與對應的輪金鑰進行異或運算。
    • S盒替換（S-boxes） ：將異或後的資料分為8個6位的塊，每個塊透過對應的S盒進行替換，S盒將6位輸入對映為4位輸出。
    • P盒置換（P-box） ：將S盒替換後的32位資料透過P盒進行置換，P盒定義了32位輸出的新順序。

4. 輪金鑰的使用

  • 在每一輪中，輪金鑰與擴充套件後的Rn部分進行異或運算，然後進行S盒替換和P盒置換。

5. 左右交換

  • 在每一輪運算後，將Ln和Rn交換，Rn成為下一輪的Ln。

6. 逆初始置換（Final Permutation, FP）

  • 目的：完成加密過程，產生最終的密文。
  • 過程：將第16輪的輸出（R16L16）按照FP表定義的規則進行置換，FP表是IP表的逆過程。

透過上述步驟，DES演算法將64位的明文塊轉換成64位的密文塊。解密過程使用相同的演算法，但是使用逆輪金鑰順序。DES演算法的強度主要依賴於金鑰的複雜性和輪函式的設計，但由於金鑰長度較短，現在被認為不夠安全，因此在需要高安全性的場合，通常推薦使用更先進的加密演算法。

DES（Data Encryption Standard）演算法中的S盒（Substitution boxes）和P盒（Permutation box）是演算法的核心組成部分，它們的設計原理和作用對於理解DES的加密機制至關重要。

S盒（Substitution Boxes）

設計原理：

S盒是DES演算法中唯一的非線性部分，它提供了一種將6位輸入對映到4位輸出的方式。每個S盒都是預先設計好的查詢表，其設計考慮了以下因素：

  • 非線性：S盒的設計確保了輸入的微小變化會導致輸出的顯著不同，這增加了密碼的複雜性，使得演算法更難被破解。
  • 抗差分攻擊：S盒的設計減少了輸入輸出之間的相關性，使得差分攻擊變得更加困難。
  • 抗線性攻擊：S盒的非線性特性使得線性攻擊變得更加複雜。

作用：

  • 增強安全性：S盒的非線性特性是DES演算法安全性的關鍵，它使得加密過程不易被統計分析。
  • 資料壓縮：每個S盒將6位輸入減少到4位輸出，整個DES演算法使用8個S盒，將48位輸入減少到32位輸出。

工作方式：

  • 48位輸入被分為8個6位的塊，每個塊由一個S盒處理。
  • 每個S盒的6位輸入中，第1位和第6位確定行號，中間的4位確定列號。
  • 根據行號和列號在S盒的查詢表中找到對應的4位輸出。

P盒（Permutation Box）

設計原理：

P盒是一個32位的置換盒，它定義了在輪函式中S盒輸出後的位重新排列的規則。P盒的設計考慮了以下因素：

  • 混淆：透過重新排列位，P盒增加了密文的複雜性，使得密文與明文之間的關係更加難以分析。
  • 擴散：P盒確保了明文中的每一位都會影響到多個輸出位，從而增加了密文的擴散性。

作用：

  • 進一步增加複雜性：P盒在S盒之後應用，增加了加密過程的複雜性。
  • 確保擴散：P盒確保了明文中的資訊在密文中得到了充分的擴散。

工作方式：

  • P盒接受來自S盒的32位輸出。
  • 根據P盒定義的規則，這32位被重新排列，產生新的32位輸出。

DES演算法的S盒和P盒共同工作，提供了強大的混淆和擴散效果，這是DES演算法能夠提供有效加密的關鍵。然而，由於S盒和P盒的固定性和已知性，它們也成為了攻擊者分析演算法弱點的目標。隨著計算能力的提升，DES演算法的安全性受到了挑戰，因此現在通常推薦使用更長的金鑰和更復雜的演算法，如AES（Advanced
Encryption Standard）。

金鑰管理策略

1. 金鑰的生成：

  • DES演算法的金鑰長度為56位，通常由使用者提供。金鑰生成過程包括對使用者提供的金鑰進行置換選擇1（PC-1）操作，生成56位金鑰，並透過輪金鑰生成演算法生成16個48位的子金鑰。

2. 金鑰的儲存：

  • DES演算法中的金鑰通常需要妥善儲存，以確保安全性。金鑰可以儲存在安全的硬體模組中，如安全模組或專用加密硬體中，也可以採用金鑰管理系統（KMS）進行管理和儲存。

3. 金鑰管理策略：

  • 定期更換金鑰：定期更換金鑰可以減少金鑰被破解的風險。
  • 分級訪問控制：對不同級別的使用者或系統分配不同的金鑰，限制金鑰的訪問許可權。
  • 金鑰分發安全：確保金鑰在傳輸過程中不被竊取或篡改，可以使用安全通訊渠道或金鑰交換協議。

金鑰排程演算法

1. 子金鑰的生成：

  • DES演算法透過輪金鑰生成演算法生成16個48位的子金鑰。該過程包括初始金鑰的置換選擇1（PC-1）操作，然後透過迴圈左移和置換選擇2（PC-2）操作生成每一輪所需的子金鑰。

2. 輪金鑰的應用：

  • 每一輪DES演算法中，使用一個48位的子金鑰與右半部分進行異或運算，增加演算法的複雜性和安全性。
  • 輪金鑰的應用使得每一輪的加密操作都依賴於不同的金鑰，增加了破解的難度。

3. 金鑰排程的重要性：

  • 金鑰排程演算法是DES演算法中關鍵的一部分，影響著加密演算法的安全性和效率。
  • 良好的金鑰排程演算法能夠生成足夠複雜且不可預測的子金鑰序列，提高了演算法的安全性。

DES演算法的安全性分析

1. 金鑰長度：

  • DES演算法的金鑰長度為56位，隨著計算能力的增強，56位金鑰長度已經不足以提供足夠的安全性。窮舉攻擊可以在合理時間內破解DES演算法。

2. 差分分析和線性分析：

  • 差分分析和線性分析是針對分組密碼的常見攻擊手法。
  • DES演算法對差分分析和線性分析具有一定的抵抗能力，但並不是完全安全的。在一定條件下，這些攻擊仍然可以降低DES演算法的安全性。

DES的弱點

1. 金鑰長度：

  • DES演算法的56位金鑰長度相對較短，容易受到窮舉攻擊的威脅。

2. 硬體實現：

  • DES演算法的S盒設計和置換操作在硬體實現中可能存在側通道攻擊的風險。

3. 現代密碼學中的更安全的替代演算法

1. AES（高階加密標準） ：

  • AES是目前廣泛應用的對稱加密演算法，取代了DES演算法。AES支援128位、192位和256位的金鑰長度，提供更高的安全性。
  • AES在設計上考慮了差分分析、線性分析等攻擊手法，具有更強的抵抗能力。

2. 三重DES（Triple DES） ：

  • 三重DES是對DES演算法的增強版本，透過多次應用DES演算法提高了安全性。使用兩個或三個不同的56位金鑰對資料進行加密，提供更高階別的保護。

3. 現代分組密碼演算法：

  • 除了AES和三重DES，現代密碼學中還有許多其他安全性更高的分組密碼演算法，如Serpent、Twofish等，這些演算法採用更長的金鑰長度和更復雜的結構，提供更高階別的安全性。

DES演算法在實際系統中的應用

1. 資料加密標準：

  • DES演算法曾經作為資料加密標準被廣泛應用在各種系統中，包括金融、政府、通訊等領域。DES演算法提供了對稱加密的解決方案，能夠對資料進行加密和解密操作。

2. 網路安全協議：

  • DES演算法在網路安全協議中也有應用，例如TLS/SSL協議中可以使用DES演算法進行資料加密傳輸。然而，由於DES演算法的金鑰長度較短，現在更多地選擇AES等更安全的演算法來替代DES。

DES演算法在各種場景下的效能和適用性

1. 效能：

  • DES演算法的加密和解密速度相對較快，適用於對資料進行快速加密和解密的場景。但是，由於現代計算能力的提升，DES演算法的金鑰長度較短，容易受到窮舉攻擊，效能在安全性上存在一定的缺陷。

2. 適用性：

  • DES演算法適用於對資料進行基本加密保護的場景，例如對於一些不太敏感的資料或者需要快速加密解密的場景。但是，在對安全性要求較高的場景下，DES演算法的應用受到限制，更推薦選擇更安全的替代演算法，如AES、三重DES等。

Python程式碼示例：

使用pycryptodome庫實現DES演算法的加密和解密

from Crypto.Cipher import DES
from Crypto.Random import get_random_bytes


# 加密函式
def encrypt_des(key, data):
    cipher = DES.new(key, DES.MODE_ECB)
    padded_data = data + b"\0" * (8 - len(data) % 8)  # 補齊資料長度為8的倍數
    ciphertext = cipher.encrypt(padded_data)
    return ciphertext


# 解密函式
def decrypt_des(key, ciphertext):
    cipher = DES.new(key, DES.MODE_ECB)
    decrypted_data = cipher.decrypt(ciphertext)
    return decrypted_data.rstrip(b"\0")  # 去除補齊的空位元組


# 生成隨機的8位元組金鑰
key = get_random_bytes(8)

# 要加密的資料
data = b"Hello, World!"

# 加密
encrypted_data = encrypt_des(key, data)
print("加密後的資料:", encrypted_data)

# 解密
decrypted_data = decrypt_des(key, encrypted_data)
print("解密後的資料:", decrypted_data.decode("utf-8"))

這段Python程式碼使用了pycryptodome庫來實現DES演算法的加密和解密過程。首先生成一個隨機的8位元組金鑰，然後對待加密的資料進行加密並輸出加密後的資料，最後對加密後的資料進行解密並輸出解密後的資料。請確保已安裝pycryptodome庫。

Java程式碼示例：

使用Java內建的javax.crypto庫實現DES演算法的加密和解密

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.DESKeySpec;
import java.util.Base64;

public class DESExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String keyString = "abcdefgh"; // 8位元組金鑰
        String data = "Hello, World!";

        // 加密
        byte[] encryptedData = encryptDES(keyString, data);
        System.out.println("加密後的資料: " + Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedData));

        // 解密
        String decryptedData = decryptDES(keyString, encryptedData);
        System.out.println("解密後的資料: " + decryptedData);
    }

    public static byte[] encryptDES(String keyString, String data) throws Exception {
        DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(keyString.getBytes());
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
        SecretKey key = keyFactory.generateSecret(desKeySpec);

        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/ECB/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);

        return cipher.doFinal(data.getBytes());
    }

    public static String decryptDES(String keyString, byte[] encryptedData) throws Exception {
        DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(keyString.getBytes());
        SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
        SecretKey key = keyFactory.generateSecret(desKeySpec);

        Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/ECB/PKCS5Padding");
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);

        byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(encryptedData);
        return new String(decryptedBytes);
    }
}

這段Java程式碼使用了Java內建的javax.crypto庫來實現DES演算法的加密和解密過程。首先定義了一個8位元組的金鑰，然後對待加密的資料進行加密並輸出加密後的資料，最後對加密後的資料進行解密並輸出解密後的資料。請確保已正確配置Java環境。

附錄

推薦以下文獻、資料和工具，這些資源將有助於進一步瞭解DES演算法及其在密碼學領域的應用：

  1. 《Applied Cryptography: Protocols, Algorithms, and Source Code in C》（《應用密碼學：C語言協議、演算法和原始碼》）一書，作者Bruce
    Schneier。這本書介紹了許多密碼學演算法，包括DES，以及它們的實際應用和實現。
  2. 《Cryptography and Network Security: Principles and Practice》（《密碼學與網路安全：原理與實踐》）一書，作者William
    Stallings。這本書詳細介紹了DES演算法的原理、實現和在網路安全中的應用。
  3. NIST（美國國家標準與技術研究院）的資料庫中關於DES演算法的文件，可以瞭解DES演算法的標準規範和歷史發展。
  4. 《The Design of Rijndael: AES - The Advanced Encryption Standard》（《Rijndael的設計：AES - 高階加密標準》）一書，作者Vincent
    Rijmen、Joan Daemen。雖然是關於AES演算法的書籍，但也可以對對稱加密演算法的設計和實現有更深入的瞭解，從而更好地理解DES演算法。
  5. 在學術搜尋引擎（如Google Scholar）上搜尋關於DES演算法的研究論文，可以找到最新的研究成果和對DES演算法的改進或安全性分析的文章。
  6. 線上DES加解密

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