要更具体地分析 DES 加密和解密过程中的每个操作,我会详细展示如何进行异或操作、循环左移以及其他操作。为了便于理解,依然会使用简化的数字和步骤来展示。
示例数据
- 明文:
0x0123456789ABCDEF
(64位) - 密钥:
0x133457799BBCDFF1
(56位)
1. DES 加密过程
步骤 1: 初始置换(Initial Permutation, IP)
DES 的加密过程首先对明文进行初始置换(IP),按照特定的顺序对 64 位数据进行重新排列。由于具体的置换表比较复杂,这里用简化的 IP 结果来展示。
我们假设 IP 后的结果为:
L0 = 0x85E001F4 (32位)
R0 = 0x223547D6 (32位)
步骤 2: 密钥生成
密钥 0x133457799BBCDFF1
是 64 位的,但 DES 只使用 56 位作为有效密钥,剩下的 8 位被丢弃。DES 会将密钥按特定的规则进行置换和循环左移,然后生成 16 个 48 位的子密钥(K1, K2, ..., K16)。
例如,假设通过密钥生成算法得到了第 1 轮的子密钥 K1:
K1 = 0xA0F4B2C0D8D7
步骤 3: 迭代过程
在第 1 轮中,使用 K1 对 L0 和 R0 进行 Feistel 轮操作。
首先,将 R0(右半部分)与 K1 进行异或操作:
R0 = 0x223547D6
K1 = 0xA0F4B2C0D8D7
异或操作(XOR)逐位比较:
R0 XOR K1 = 0x223547D6 XOR 0xA0F4B2C0D8D7
= 0xEB57B16E
现在,得到的是一个 32 位的输出 0xEB57B16E
,这个值会传入 S-box 进行替代(Substitution)。S-box 是一个固定的替代表,用来将 32 位的输入替换成一个 32 位的输出。假设经过 S-box 变换后得到:
S-box 输出 = 0x3A7C1A6E
步骤 4: 交换与异或操作
将上一步得到的值与 L0(左半部分)进行异或操作,得到新的右半部分 R1:
L0 = 0x85E001F4
S-box 输出 = 0x3A7C1A6E
L0 XOR S-box 输出 = 0x85E001F4 XOR 0x3A7C1A6E
= 0xBDEE1B7A
现在交换 L0 和 R0 的值:
L1 = R0 = 0x223547D6
R1 = L0 XOR S-box 输出 = 0xBDEE1B7A
步骤 5: 16 轮迭代
接下来,重复上述步骤,使用子密钥 K2, K3, ..., K16,每轮都进行 Feistel 操作和交换。每一轮的 L 和 R 分别被更新,直到第 16 轮。
步骤 6: 最终置换(Final Permutation, FP)
经过 16 轮的迭代后,我们将最后一轮得到的 L16 和 R16 按照一个固定的逆初始置换表(IP⁻¹)进行最终置换,得到密文。
假设 L16 和 R16 经过 IP⁻¹ 后的结果为:
密文 = L16 || R16
2. DES 解密过程
解密过程与加密过程类似,但关键点在于解密时子密钥的顺序是反向的。即,解密时使用的子密钥顺序是 K16, K15, ..., K1,而加密时是 K1, K2, ..., K16。
步骤 1: 初始置换(IP)
解密过程的第一步是将密文进行初始置换(与加密时相同)。假设密文已经通过初始置换得到:
L16 = 0xABCDE123
R16 = 0xFEDCBA09
步骤 2: 逆 Feistel 轮结构
解密时,我们将密文中的 L16 和 R16 作为输入,然后使用反向顺序的子密钥 K16, K15, ..., K1 进行处理。
假设我们正在使用子密钥 K16 对 L16 和 R16 进行处理。
首先,将 R16 与 K16 进行异或操作:
R16 = 0xFEDCBA09
K16 = 0x9F0B2A13
R16 XOR K16 = 0xFEDCBA09 XOR 0x9F0B2A13 = 0xA94F7080
然后通过 S-box 进行替代,假设得到:
S-box 输出 = 0x2F5B8A7F
接下来,将 S-box 输出与 L16 进行异或操作,得到新的右半部分 R15:
L16 = 0xABCDE123
S-box 输出 = 0x2F5B8A7F
L16 XOR S-box 输出 = 0xABCDE123 XOR 0x2F5B8A7F = 0xF550D07C
最后,交换 L16 和 R16 的值,得到 L15 和 R15:
L15 = R16 = 0xFEDCBA09
R15 = L16 XOR S-box 输出 = 0xF550D07C
步骤 3: 逆初始置换(IP⁻¹)
经过 16 轮解密后,我们将最终得到的 L1 和 R1 按照逆初始置换(IP⁻¹)得到原始明文。
3. 具体的操作示例:循环左移和异或
异或操作(XOR): 假设我们有两个 32 位的输入,A 和 B:
A = 0x223547D6 B = 0xA0F4B2C0
进行异或操作时,逐位比较 A 和 B 中的每一位。如果两个相同位置的位相同,则结果为 0,否则为 1。
A XOR B = 0x223547D6 XOR 0xA0F4B2C0 = 0x8E10F5D6
循环左移(Circular Left Shift): DES 在密钥生成过程中使用循环左移操作。假设我们有一个 28 位的部分密钥(只考虑一个部分):
部分密钥 = 0x123456
如果要进行 1 位循环左移,意味着将最左边的第 1 位移到最右边,并将其他位左移一位。例如,原来的部分密钥是
0x123456
,经过 1 位左移后变成:0x123456 -> 0x234561
这样,最左边的
1
被移到最右边,其他位左移一位。
总结
在 DES 的加密和解密过程中,主要使用了异或(XOR)和循环左移等基本操作:
- 异或操作(XOR):用于在 Feistel 结构中进行混合和加密。
- 循环左移:用于生成子密钥,以及在加密过程中进行数据变换。
- S-box 替代:用于对数据进行非线性变换,增加加密的复杂性。
- 初始置换和最终置换:用于数据的初始和最终排列,增加密码的复杂性。
通过这些操作,DES 通过16轮 Feistel 结构将明文加密为密文,解密时按反向顺序使用相同的密钥和过程恢复原始数据。