DES算法原理與改進

楊麗娜 齊魯工業大學信息學院

引言

隨著現代計算機的飛速發展，網絡安全等問題的出現給廣大用戶帶來了較大的影響。在過去的時間里，DES是主流的密碼，但是因為它的密鑰空間太小，已經被進行了攻擊。所以我們在其存在的問題上進行改進，使DES算法的功能更加強大。

1 DES加密過程

DES是對稱密碼，即加解密采用同樣的密鑰，密鑰長度為64比特，8比特是奇偶校驗位，所以有用長度為56比特。DES對明文中每一個分組的加密過程都包括16輪，且每一輪都相同。過程如下：

1.初始置換IP(X)。將64位的明文x進行初始置換IP 后,此明文會被分成兩部分,L0代表左半部分，R0代表右半部分。在初始置換過程中并沒有增加DES的安全性。

2.密鑰生成。1.首先輸入64位密鑰，密鑰分別記為1-64。從64位當中選擇56位作為有效密鑰。2.將所得56位密鑰進行置換并分別生成C0和D0兩部分。3. 每輪進行迭代時，Ci-1和Di-1分別循環左移一位或者兩位，具體規則是：在第i=1，2，9，16輪中，左右兩部分向左移動一位；在其他輪中，向左移動兩位。4.對移位后產生值再做一次置換。以上便生成了一個48位的密鑰。

3.加密過程。將初始置換IP產生的32位的左右兩部分做為下一部分的輸入。從 到 L0 到 L16，R0到 R16 共進行 的16次加密變換 。經過 i次變化后的左 、右 32比特分別為 Li和 Ri。Li和 Ri計算公式為：Li=Ri-1，Ri=Li-1XORf（Ri-，ki）。（ 注：K是第二步中的密鑰； f是以 Ri-1和 K 為變量輸出的由S盒置換構成 的 32比特函數.）

4.逆初始置換。進行16輪加密變化之后，將L16和R6進行逆置換，最終得到64位密文。加密過程完成。

2 DES算法的不足

2.1 密鑰空間

DES密鑰空間過小，密鑰長度是56位，利用窮盡搜索就可以輕易得破解標準的DES。在2006年，一個研究小組基于商業集成電路構建了COPACBANA.使破解DES的時間平均不到7天。總之，它的空間大小已經不足以保證當今數據的安全。

2.2 弱密鑰

在DES算法中有12個半弱密鑰和4個弱密鑰。子密鑰的生成過程中，密鑰被分解了兩個部分，若這兩個部分是全0或全1，那每輪生產的子密鑰都一樣。當密鑰全0或全1時，或者一半時1或0時，就會產生弱密鑰或半弱密鑰[3]。

2.3 S-盒

S-盒是DES的核心，是唯一非線性的。它的安全強度影響DES安全。

3 DES算法改進

3.1 X-DES

X-DES中的X是指密鑰個數是不確定的。在加密時手動輸入密鑰的長度，達到了一次一密的結果。只要添加密鑰的位數，就會使破解的難度成指數增加，對于將要進行攻擊的攻擊者來說根本不知道密鑰的長度，這樣就會使窮舉的時間增長。

密鑰分為兩種，一種是默認的密鑰，另一種是隨機密鑰[3]。隨機密鑰有（X-1）*64位。加密時用戶輸入隨機密鑰個數n,程序進行（n+1）次加密（其中有一個密鑰是固定的）。

3.2 S-盒的優化

S-盒是DES的核心。對S-盒的結構進行優化，讓S-盒的順序能夠跟著密鑰情況的不同進行變化，如果該系統密鑰位是未知的，那系統就很難被攻擊。特別是能有效地避免對差分密碼的破密。這使DES加密算法更安全。

4 總結

本文介紹了DES算法和對DES做出的改進。在當今社會中，DES算法已經被廣泛的應用，所以對DES算法進行改進具有重要意義。

[1] Christof Paar,Jan Pelzl.深入淺出密碼學.清華大學出版社，2012.

[2] 張春暉.DES算法原理及改進.電腦知識與技術.2009.vol.5

[3] CSDN.DES算法缺陷和改進.2006.12

[4] 馮登園.網絡安全原理與技術.北京：科學出版社，2003.