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6 分钟

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。

贡献者

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