什麼是DES加密？

12-29

想知道它的設計思想

一、DES演算法的歷史

　　美國國家標準局1973年開始研究除國防部外的其它部門的計算機系統的數據加密標準，於1973年5月15日和1974年8月27日先後兩次向公眾發出了徵求加密演算法的公告。加密演算法要達到的目的（通常稱為DES 密碼演算法要求）主要為以下四點：

☆提供高質量的數據保護，防止數據未經授權的泄露和未被察覺的修改；

☆具有相當高的複雜性，使得破譯的開銷超過可能獲得的利益，同時又要便於理解和掌握；

☆DES密碼體制的安全性應該不依賴於演算法的保密，其安全性僅以加密密鑰的保密為基礎；

☆實現經濟，運行有效，並且適用於多種完全不同的應用。

1977年1月，美國政府頒布：採納IBM公司設計的方案作為非機密數據的正式

數據加密標準（DES Data Encryption Standard）。

二、DES演算法的應用

　　目前在國內，隨著三金工程尤其是金卡工程的啟動，DES演算法在POS、ATM、磁卡及智能卡（IC卡）、加油站、高速公路收費站等領域被廣泛應用，以此來實現關鍵數據的保密，如信用卡持卡人的PIN的加密傳輸，IC卡與POS間的雙向認證、金融交易數據包的MAC校驗等，均用到DES演算法。

Java的DES加密例子

import java.security.SecureRandom; import javax.crypto.spec.DESKeySpec; import javax.crypto.SecretKeyFactory; import javax.crypto.SecretKey; import javax.crypto.Cipher;


/**

 * DES加密介紹 DES是一種對稱加密演算法，所謂對稱加密演算法即：加密和解密使用相同密鑰的演算法。DES加密演算法出自IBM的研究，

 * 後來被美國政府正式採用，之後開始廣泛流傳，但是近些年使用越來越少，因為DES使用56位密鑰，以現代計算能力，

 * 24小時內即可被破解。雖然如此，在某些簡單應用中，我們還是可以使用DES加密演算法，本文簡單講解DES的JAVA實現 。

 * 注意：DES加密和解密過程中，密鑰長度都必須是8的倍數

 */

public class DES

{

	public DES()

	{

	}
	// 測試

	public static void main(String args[])

	{

		// 待加密內容

		String str = "測試內容";

		// 密碼，長度要是8的倍數

		String password = "9588028820109132570743325311898426347857298773549468758875018579537757772163084478873699447306034466200616411960574122434059469100235892702736860872901247123456";
		byte[] result = DES.encrypt(str.getBytes(), password);

		System.out.println("加密後：" + new String(result));
		// 直接將如上內容解密

		try

		{

			byte[] decryResult = DES.decrypt(result, password);

			System.out.println("解密後：" + new String(decryResult));

		} catch (Exception e1)

		{

			e1.printStackTrace();

		}
	}
	/**

	 * 加密

	 *

	 * @param datasource

	 *            byte[]

	 * @param password

	 *            String

	 * @return byte[]

	 */

	public static byte[] encrypt(byte[] datasource, String password)

	{

		try

		{

			SecureRandom random = new SecureRandom();

			DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(password.getBytes());

			// 創建一個密匙工廠，然後用它把DESKeySpec轉換成

			SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");

			SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(desKey);

			// Cipher對象實際完成加密操作

			Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");

			// 用密匙初始化Cipher對象

			cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, securekey, random);

			// 現在，獲取數據並加密

			// 正式執行加密操作

			return cipher.doFinal(datasource);

		} catch (Throwable e)

		{

			e.printStackTrace();

		}

		return null;

	}

/** * 解密 * * @param src * byte[] * @param password * String * @return byte[] * @throws Exception */ public static byte[] decrypt(byte[] src, String password) throws Exception { // DES演算法要求有一個可信任的隨機數源 SecureRandom random = new SecureRandom(); // 創建一個DESKeySpec對象 DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(password.getBytes()); // 創建一個密匙工廠 SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES"); // 將DESKeySpec對象轉換成SecretKey對象 SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(desKey); // Cipher對象實際完成解密操作 Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES"); // 用密匙初始化Cipher對象 cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, securekey, random); // 真正開始解密操作 return cipher.doFinal(src); } }

三、DES演算法的原理

DES演算法的入口參數有三個：Key、Data、Mode。

Key為8個位元組共64位，是DES演算法的工作密鑰；

Data也為8個位元組64位，是要被加密或被解密的數據；

Mode為DES的工作方式，有兩種：加密或解密。

為了網路上信息傳輸的安全（防止第三方竊取信息看到明文），發送發和接收方分別進行加密和解密，這樣信息在網路上傳輸的時候就是相對安全的。

四、DES的加密類別

發送方和接收方進行加密和解密的演算法從密鑰上可以分為兩類

1：對稱加密技術

加密系統的加密密鑰和解密密鑰相同，或者雖然不同，但是可以輕鬆的從一個密鑰推導出另外的一個密鑰。

2：非對稱加密技術，與對稱加密技術相反

DES屬於第一種對稱加密技術

DES（數據加密標準）演算法主要採用替換和移位的方式進行加密，它用56位（64位密鑰只有56位有效）對64位二進位數據塊進行加密，每次加密對64位的輸入數據進行16輪編碼，經過一系列替換和移位後，輸入的64位原數據轉換成完全不同的64位輸出數據。

DES演算法是這樣工作的：如Mode為加密，則用Key 去把數據Data進行加密，生成Data的密碼形式（64位）作為DES的輸出結果；如Mode為解密，則用Key去把密碼形式的數據Data解密，還原為Data的明碼形式（64位）作為DES的輸出結果。在通信網路的兩端，雙方約定一致的Key，在通信的源點用Key對核心數據進行DES加密，然後以密碼形式在公共通信網（如電話網）中傳輸到通信網路的終點，數據到達目的地後，用同樣的Key對密碼數據進行解密，便再現了明碼形式的核心數據。這樣，便保證了核心數據（如PIN、MAC等）在公共通信網中傳輸的安全性和可靠性。

　　通過定期在通信網路的源端和目的端同時改用新的Key，便能更進一步提高數據的保密性，這正是現在金融交易網路的流行做法。

　　DES演算法詳述

　　DES演算法把64位的明文輸入塊變為64位的密文輸出塊，它所使用的密鑰也是64位，整個演算法的主流程圖如下：

其功能是把輸入的64位數據塊按位重新組合，並把輸出分為L0、R0兩部分，每部分各長32位，其置換規則見下表：

58,50,12,34,26,18,10,2,60,52,44,36,28,20,12,4,

　　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,

　　即將輸入的第58位換到第一位，第50位換到第2位，...，依此類推，最後一位是原來的第7位。L0、R0則是換位輸出後的兩部分，L0是輸出的左32位，R0 是右32位，例：設置換前的輸入值為D1D2D3......D64，則經過初始置換後的結果為：L0=D58D50...D8；R0=D57D49...D7。

　　經過16次迭代運算後。得到L16、R16，將此作為輸入，進行逆置換，即得到密文輸出。逆置換正好是初始置的逆運算，例如，第1位經過初始置換後，處於第40位，而通過逆置換，又將第40位換回到第1位，其逆置換規則如下表所示：

　　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,

放大換位表

　　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,

單純換位表

　　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f(Ri,Ki)演算法描述圖中，S1,S2...S8為選擇函數，其功能是把6bit數據變為4bit數據。下面給出選擇函數Si(i=1,2......的功能表：

選擇函數Si

S1:

　　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,

S2:

　　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,

S3:

　　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,

S4:

　　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,

S5:

　　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,

S6:

　　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,

S7:

　　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,

S8:

　　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,

在此以S1為例說明其功能，我們可以看到：在S1中，共有4行數據，命名為0，1、2、3行；每行有16列，命名為0、1、2、3，......，14、15列。

　　現設輸入為： D＝D1D2D3D4D5D6

令：列＝D2D3D4D5

　　行＝D1D6

　　然後在S1表中查得對應的數，以4位二進位表示，此即為選擇函數S1的輸出。下面給出子密鑰Ki(48bit)的生成演算法

　　從子密鑰Ki的生成演算法描述圖中我們可以看到：初始Key值為64位，但DES演算法規定，其中第8、16、......64位是奇偶校驗位，不參與DES運算。故Key 實際可用位數便只有56位。即：經過縮小選擇換位表1的變換後，Key 的位數由64 位變成了56位，此56位分為C0、D0兩部分，各28位，然後分別進行第1次循環左移，得到C1、D1，將C1（28位）、D1（28位）合併得到56位，再經過縮小選擇換位2，從而便得到了密鑰K0（48位）。依此類推，便可得到K1、K2、......、K15，不過需要注意的是，16次循環左移對應的左移位數要依據下述規則進行：

循環左移位數

1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1

　　以上介紹了DES演算法的加密過程。DES演算法的解密過程是一樣的，區別僅僅在於第一次迭代時用子密鑰K15，第二次K14、......，最後一次用K0，演算法本身並沒有任何變化。

二、DES演算法理論圖解

DES的演算法是對稱的，既可用於加密又可用於解密。下圖是它的演算法粗框圖。其具體運算過程有如下七步。

＜缺：找到補上＞

三、DES演算法的應用誤區　

　　DES演算法具有極高安全性，到目前為止，除了用窮舉搜索法對DES演算法進行攻擊外，還沒有發現更有效的辦法。而56位長的密鑰的窮舉空間為256，這意味著如果一台計算機的速度是每一秒種檢測一百萬個密鑰，則它搜索完全部密鑰就需要將近2285年的時間，可見，這是難以實現的，當然，隨著科學技術的發展，當出現超高速計算機後，我們可考慮把DES密鑰的長度再增長一些，以此來達到更高的保密程度。

　　由上述DES演算法介紹我們可以看到：DES演算法中只用到64位密鑰中的其中56位，而第8、16、24、......64位8個位並未參與DES運算，這一點，向我們提出了一個應用上的要求，即DES的安全性是基於除了8，16，24，......64位外的其餘56位的組合變化256才得以保證的。因此，在實際應用中，我們應避開使用第8，16，24，......64位作為有效數據位，而使用其它的56位作為有效數據位，才能保證DES演算法安全可靠地發揮作用。如果不了解這一點，把密鑰Key的8，16，24，..... .64位作為有效數據使用，將不能保證DES加密數據的安全性，對運用DES來達到保密作用的系統產生數據被破譯的危險，這正是DES演算法在應用上的誤區，留下了被人攻擊、被人破譯的極大隱患。

五、DES的破解

PostScript：
DES 被證明是可以破解的，明文+密鑰=密文，這個公式只要知道任何兩個，就可以推導出第三個
在已經知道明文和對應密文的情況下，通過窮舉和暴力破解是可以破解DES的。

《秘密密鑰挑戰賽》節選

　　1997年1月28日，美國的RSA數據安全公司在RSA安全年會上公布了一項「秘密密鑰挑戰」(Secret-KeyChallange)競賽，分別懸賞$1000、$5000、$10000用於攻破不同密鑰長度的RC5密碼演算法，同時還懸賞$10000破密鑰長度為56bits的DES演算法。

　　加密明文的密鑰是隨機選取的，明文和密鑰都被嚴格保密，只向挑戰者們公布密文和所用的初始化向量。解出的密鑰以E-Mail的方式迅速報告給RSA公司，第一個解出密鑰的人即成為相應挑戰賽的勝利者。加利福尼亞大學伯克利分校的研究生IanGoldberg用大約250台工作站組成的網路，只用了3.5小時就攻破了40位的RC5演算法。在瑞士建立的一個歐洲小組使用了遍及歐洲的3,500台機器，13天時間攻破48位密碼。Brewer預計在類似的環境中攻破一個56位的密碼需要大約22年。

　　DES分組加密演算法是美國政府於1977年公布的數據加密標準，已在銀行業和金融業使用了近二十年，自從其公布起，DES就一直不斷地被人們研究和攻擊，它是世界上最知名的、使用最廣泛的分組密碼演算法。目前攻擊DES的最有效的辦法是密鑰窮舉攻擊，Verser設計了一個密鑰窮舉攻擊程序，用以窮舉所有可能的DES密鑰，直至找到正確的那一個密鑰，這個計算機程序可以從Internet上分發和下載。他把這項計劃命名為DESCHALL，這項計劃開始時只有幾百人參與，最終吸引了數萬名志願者參加。每有一名新的志願者加入，DESCHALL小組就為其分配一部分密鑰空間讓其測試，這樣，正確的密鑰最終會在某一名志願者的計算機中出現。參與DESCHALL計劃的Internet志願者使用了企業、高校和政府大量的計算資源，其中有計算能力強大的小型機、工作站，更不乏普通的PC機，參與的志願者或計算機的具體數字尚未有精確的統計，但根據IP地址統計至少有78156個。基於IP地址的統計還顯示，每天最多有1400台志願計算機在工作。

　　美國克羅拉多州的程序員RockeVerser從97年3月13日起，在Internet上數萬名志願者的協同工作下，在RSA挑戰賽公布之後的第140天、DESCHALL計劃實施的第96天，6月17日的晚10點39分，鹽湖城iNetZ公司的職員Michael Sanders在他那台主頻為奔騰90Hz、16M內存的PC機上成功地解出了DES的明文，找到了正確的密鑰（8558891ab0c851b6）。RockeVerser的這次勝利，很有可能成為其最後一擊，標誌著DES時代的即將結束。這將作為密碼學上的一個里程碑載入史冊。

　　DES的全部密鑰窮舉量為7.2e16，DESCHALL計劃完成時，搜索的密鑰量為1.773e16,佔全部密鑰窮舉量的24.6%，平均每天最多搜索6.0e14個，每秒最多搜索7,0e9個，其中最後24小時搜索了5.59e14個，佔全部窮舉量的0.7%，假若一開始就以這個速度搜索，則DESCHALL計劃只需32天即可完成。DES被破的消息公布之後，輿論界頓時嘩然，因為依靠Internet的分散式計算能力，公眾已經可以輕而易舉地攻破DES。在如此短的時間內DES被攻破的消息讓那些使用DES進行保密通信的機構、公司和個人從心裡打了一個寒顫。英國劍橋的資金和技術決策主任DavidWeisman認為，DES的破解應使人們認識到隨著計算能力的增長，必須相應增加演算法的密鑰長度。

　　此次DESCHALL在96天中攻破DES，還是有一定的「幸運」因素在內。根據統計資料，整個搜索過程遍歷密鑰空間的僅為24.6％，這就大大節約了窮搜所需時間。截止到目前，56比特的RC5挑戰至今尚未被攻破。這樣的挑戰還會繼續進行，雖然未見分曉，但可以認為，不論是DES、RC5還是其它別的演算法，也不論演算法的強弱，56比特密鑰的使用方式都是不保密的。

　　在DESCHALL向DES發起窮舉攻擊的同時，從瑞典發起的一個攻擊小組，SolNET也對DES發起了攻擊。由於美國嚴禁密鑰攻擊演算法出口到除加拿大的其他國家，因此DESCHALL計劃僅限於美國和加拿大執行。而SolNET通過向世界發布他們的軟體，也取得了可觀的成績。他們的搜索速度最高達到了每秒30億密鑰組合，並在不斷加快，到競賽結束時他們總共搜索了近一億億可能密鑰，約為密鑰總空間的七分之一。

　　在DESCHALL完成了他們的工作後，SolNET在網頁上發表了一條簡短的消息，宣布SolNET的工作停止,並請仍然有興趣的人參加Bovine RC5攻擊計劃對56位RC5密鑰的攻擊。事實上，現在已有數十個小組開始了這項工作，而Bovine看來是很有希望贏得這次競賽的小組之一。

我也是啊，改了秘鑰，但仍然能解密