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发信人: Peter (小飞侠), 信区: Program
标 题: DES算法及其应用误区
发信站: BBS 荔园晨风站 (Wed Jan 27 17:54:07 1999), 转信
在银行金融界及非金融界,越来越多地用到了DES算法,DES全称为Dat
a Encryption Sta ndard即数据加密算法,它是IBM公司于1975年研究
成功并公开发表的。目前,在国内,随着三金工程尤其是金卡工程的启
动,DES算法在POS、ATM、磁卡及智能卡(IC卡)、加油站、高速公路收
费站等领域被广泛应用,以此来实现关键数据的保密。如信用卡持卡
人的PIN的加密传输、IC卡与POS间的双向认证、金融交易数据包的MA
C校验等,均用到DES算法。
DES算法的入口参数有三个:Key、Data、Mode。其中Key为8个字
节共64位,是DES算法的工作密钥;Data也为8个字节64位,是要被加密
或被解密的数据;Mode为DES的工作方式,有两种:加密或解密。
DES算法是这样工作的:如Mode为加密,则用Key去把数据Data进行
加密,生成Data的密码形式(64位)作为DES的输出结果;如Mode为解密,
则用Key去把密码形式的数据Data解密,还原为Data的明码形式(64位)
作为DES的输出结果。
在通信网络的两端,双方约定了一致的Key,在通信的源点用Key对
核心数据进行DES加密,然后以密码形式在公共通信网(如电话网)中传
输到通信网络的终点,数据到达目的地后,用同样的Key对密码数据进
行解密,便再现了明码形式的核心数据。这样,便保证了核心数据(如P
IN、MAC等)在公共通信网中传输的安全性和可靠性。
通过定期在通信网络的源端和目的端同时改用新的Key,便能更进
一步提高数据的保密性,这正是现在金融交易网络的流行做法。
DES算法详述
DES算法把64位的明文输入块变为64位的密文输出块,它所使用的
密钥也是64位,整个算法的主流程图如下:
图1
上图中:XOR为异或运算。下面分步叙述:
初始置换
其功能是把输入的64位数据块按位重新组合,并把输出分为L0、R
0两部分,每部分各长3 2位,其置换规则见下表:
58,50,42,34,26,18,10, 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
即将输入的第58位换到第一位,第50位换到第2位,…,依此类推,
最后一位是原来的第7位。L0、R0则是换位输出后的两部分,L0是输出
的左32位,R0是右32位,例:设置换前的输入值为D1D2D3......D64,则
经过初始置换后的结果为:L0=D58D50...D8;R0=D57D49...D7。
逆置换
经过16次迭代运算后,得到L16、R16,将此作为输入,进行逆置换,
即得到密文输出。逆置换正好是初始置换的逆运算,例如,第1位经过
初始置换后,处于第40位,而通过逆置换,又将第40位换回到第1位,其
逆置换规则如下表所示:
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
函数f(Ri,Ki)的计算
图2
其算法描述如下图:
上图中,"放大换位"是将32位放大成48位,"单纯换位"是32位到32
位的换位,其换位规则分别如下:
放大换位表
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
单纯换位表
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)算法描述图中,S1,S2...S8为选择函数,其功能是把6b
it数据变为4bit数据。下面给出选择函数Si(i=1,2......8)的功能表
:
选择函数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为例说明其功能,我们可以看到:在S1中,共有4行数据,
命名为0,1、2、3行;每行有16列,命名为0、1、2、3,……,14、15列
。 现设输入为:
D=D1 D2 D3 D4 D5 D6
令:列=D2 D3 D4 D5
行=D1 D6
然后在S1表中查得对应的数,以4位二进制表示,此即为选择函数S
1的输出。
下面给出子密钥Ki(48bit)的生成算法,图示如下: 图3
上图中,"缩小选择换位1"及
"缩小选择换位2"规则分别如下:
缩小选择换位1
57,49,41,33,25,17, 9, 1,58,50,42,34,26,18,10, 2,
59,51,43,35,27,19,11, 3,60,52,44,36,63,55,47,39,
31,23,15, 7,62,54,46,38,30,22,14, 6,61,53,45,37,
29,21,13, 5,28,20,12, 4
缩小选择换位2
14,17,11,24, 1, 5, 3,28,15, 6,21,10,23,19,12, 4,
26, 8,16, 7,27,20,13, 2,41,52,31,37,47,55,30,40,
51,45,33,48,44,49,39,56,34,53,46,42,50,36,29,32
从子密钥Ki的生成算法描述图中我们可以看到:初始Key值为64位
,但DES算法规定,其中第8、16、……64位是奇偶校验位,不参与DES运
算。故Key实际可用位数便只有56位。即:经过缩小选择换位表1的变
换后,Key的位数由64位变成了56位,此56位分为C0、D0两部分,各28
位,然后分别进行第1次循环左移,得到C1、D1,将C1(28位)、D1(28位)
合并得到56位,再经过缩小选择换位2,从而便得到了密钥K0(48位)。
依此类推,便可得到k1、k2、……、k15,不过,需要注意的是,16次循
环左移对应的左移位数要依据下述规则进行:
循环左移位数
1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1
以上介绍了DES算法的加密过程。DES算法的解密过程是一样的,
区别仅仅在于第一次迭代时用子密钥K15,第二次K14、……,最后一次
用K0,算法本身并没有任何变化。
DES算法的应用误区
DES算法具有极高的安全性,到目前为止,除了用穷举搜索法对DES
算法进行攻击外,还没有发现更有效的办法。而56位长的密钥的穷举
空间为256,这意味着如果一台计算机的速度是每一秒钟检测一百万个
密钥,则它搜索完全部密钥就需要将近2285年的时间,可见,这是难以
实现的。当然,随着科学技术的发展,当出现超高速计算机后,我们可
考虑把DES密钥的长度再增长一些,以此来达到更高的保密程度。
由上述DES算法介绍我们可以看到:DES算法中只用到64位密钥中
的其中56位,而第8、16 、24、......64位8个位并未参与DES运算,这
一点,向我们提出了一个应用上的要求,即DES的安全性是基于除了8,1
6,24,......64位外的其余56位的组合变化256才得以保证的。因此,
在实际应用中,我们应避开使用第8,16,24......64位作为DES密钥的
有效数据位,而使用其它的56位作为有效数据位,才能保证DES算法安
全可靠地发挥作用。如果不了解这一点,把密钥Ke y的8,16,24,.....
..64位作为有效数据位使用,将不能保证DES加密数据的安全性,对运用
DES 来达到保密作用的系统产生数据被破译的危险,这正是DES算法在
应用上的误区,是各级技术人员、各级领导在使用过程中应绝对避免
的。而当今国内各金融部门及非金融部门,在运用DES工作,掌握DES工
作密钥Key的领导、主管们,极易忽略,给使用中貌似安全的系统,留下
了被人攻击、被人破译的极大隐患。
DES算法应用误区的验证数据
笔者用Turbo C编写了DES算法程序,并在PC机上对上述的DES算法
的应用误区进行了验证,其验证数据如下:
Key: 0x30 0x30 0x30 0x30......0x30(8个字节)
Data: 0x31 0x31 0x31 0x31......0x31(8个字节)
Mode: Encryption
结果:65 5e a6 28 cf 62 58 5f
如果把上述的Key换为8个字节的0x31,而Data和Mode均不变,则执
行DES后得到的密文完全一样。类似地,用Key:8个0x32和用Key:8个0x
33去加密Data(8个0x31),二者的图文输出也是相同的:5e c3 ac e9 5
3 71 3b ba
我们可以得到出结论:
Key 用0x30与用0x31是一样的;
Key 用0x32与用0x33是一样的,......
当Key由8个0x30换成8个0x31后,貌似换成了新的Key,但由于0x30
和0x31仅仅是在第8,1 6,24......64有变化,而DES算法并不使用Key
的第8,16,......64位作为Key的有效数据位,故:加密出的结果是一样
的。
DES解密的验证数据:
Key: 0x31 0x31......0x31(8个0x31)
Data: 65 5e a6 28 cf 62 58 5f
Mode: Decryption
结果:0x31 0x31......0x31(8个0x31)
由以上看出:DES算法加密与解密均工作正确。唯一需要避免的是
:在应用中,避开使用K ey的第8,16......64位作为有效数据位,从而
便避开了DES算法在应用中的误区。
避开DES算法应用误区的具体操作
在DES密钥Key的使用、管理及密钥更换的过程中,应绝对避开DES
算法的应用误区,即:绝对不能把Key的第8,16,24......64位作为有效
数据位,来对Key进行管理。这一点,特别推荐给金融银行界及非金融
业界的领导及决策者们,尤其是负责管理密钥的人,要对此点予以高度
重视。有的银行金融交易网络,利用定期更换DES密钥Key的办法来进
一步提高系统的安全性和可靠性,如果忽略了上述应用误区,那么,更
换新密钥将是徒劳的,对金融交易网络的安全运行将是十分危险的,所
以更换密钥一定要保证新Key与旧Key真正的不同,即除了第8,16,24,
…64位以外其它位数据发生了变化,请务必对此保持高度重视!
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