动态模拟方式详解DES轮密钥生成

李尚恩

摘要：DES对称加密算法过程繁锁复杂，其中的16轮密钥生成过程也是一个复杂的过程，大量的选择操作、循环移位操作，令众多学者望而却步，从而对该加密算法只是一知半解。现从笔者自己编写的一个轮密钥生成模拟程序入手，用动态演示的方法全面而又详细地剖析了轮密钥的生成过程及原理，为大家透彻理解轮密钥生成提供帮助，从而为深入学习DES加密算法和应用DES加密算法打下基础。

关键词：DES； 加密算法； 轮密钥； 轮密钥生成； 动态模拟

中图分类号：TP31156 文献标识码：E文章编号：2095-2163（2013）06-0091-04

0引言

DES对称加密算法过程繁琐复杂，其中的16轮密钥生成也同样是一个繁杂的过程，涉及了大量的选择和循环移位操作，这令众多学者一直未能得见该加密算法的实质和精髓。本文从笔者自己编写的一个轮密钥生成模拟程序入手，用动态演示的方法全面、详细地剖析了轮密钥的原理及生成过程，旨在为诸多学者透彻理解轮密钥生成提供切实、有效的帮助。一直以来，密码学以研究秘密通信为目的，通过对需传输的信息进行加密，力求防止第三方非法窃取信息[1]。在当今计算机得到广泛应用的数字信息时代，大量信息以数据的形式存放在计算机里，而信息的传输则需通过公共信道，但这些计算机和公共信道均未设防，很不安全，极易受到攻击和破坏，因而如何保护信息的安全，是每位研究学者面临的一大挑战。众所周知，密码是一种有效且可行的保护信息安全的重要办法，但在计算机犯罪日益增长，计算机黑客日益猖獗的环境下，一种高强度的加密算法已显得尤为重要。

1DES加密算法简介

DES算法为密码体制中的对称密码体制，又被称为美国数据加密标准，是1972年美国IBM公司研制的对称密码体制加密算法。该加密算法的明文按64位进行分组，密钥长64位。事实上，密钥是56位参与DES运算（第8、16、24、32、40、48、56、64位是校验位，使得每个密钥都有奇数个1），分组后的明文组和56位密钥按位替代和交换的方法形成密文组的加密方法[2]。具体来说，该加密算法是一个迭代的分组密码，使用称为Feistel的技术[2]，其中将需加密的64位文本块分成两半，使用轮密钥（也称子密钥）对其中的一半应用循环移位功能，再将移位后的输出与文本块的另一半进行异或运算；接着交换这两半，重复这一循环移位和异或过程，即进行16次循环移位和异或，但最后一个循环则不交换这两半文本块，最后即可得到加密后的64位文本块[3]。DES使用了16个循环，同时也调用了异或、置换、代换、移位操作四种基本运算[4，5]，从而将64位的明文输入块变成64位的密文输出块。算法整体流程如图1所示。

2轮密钥

密钥是一种参数，是在明文转换为密文或将密文转换为明文的算法中输入的数据。从DES算法流程可以看出，整个DES加密过程需要16个轮密钥（K1，K2，K3，……，K16）参与运算，才能完整地将明文输入块变换为密文输出块。那么这16个轮密钥从何而来？在DES迭代加密过程中，使用的16个轮密钥（48位）均来自于一个64位的种子密钥。该种子密钥共有64位，其中每个字节的第8位（第8、16、24、32、40、48、56、64位是校验位，使得每个密钥都有奇数个1）作为奇偶校验[6]。其具体过程描述如下：64位种子密钥首先根据选择置换表PC-1（见表1）进行置换（就是将数码中的某一位的值根据置换表的规定，用另一位代替），从而去除其中的奇偶校验位，得到56位的选择矩阵；然后在DES的16轮密钥变换生成过程中，每一轮都将一个56位的密钥分成左右各28位的两部分，再根据轮数循环左移表（见表2）分别左移后，合并左右两部分，得到56位密钥，其后则由密钥压缩置换表PC-2（表3）将56位密钥压缩成48比特密钥。完整的生成算法过程如图2所示。

3.9依此类推，依次得到剩下的轮密钥

依此类推，依次得到剩下的轮密钥K4，K5，K6，K7，K8，K9，K10，K11，K12，K13，K14，K15，K16。下面用表格形式展示本次轮密钥生成过程得到的16个轮密钥，如表4所示。表格第一列是轮密钥的名称，表格第二列是二进制的轮密钥，表格第三列是与第二列对应的16进制的轮密钥。

4结束语

总而言之，轮密钥生成过程是一个复杂的移位和选择过程，很多学者都难以读懂，对其只是一知半解。本文通过一种崭新的逐步动态演示的方式阐述了整个流程，借助图表展示了整个算法的步骤，远比文字、数字式表达具有更高的可接受度，整个过程紧凑，且清晰，而且将传统文字，数字表达方式转换成图表的表现方式，有助于研究人员透彻地认识该算法的原理及过程，从而为深入学习DES加密算法和应用DES加密算法打下基础。

参考文献：

[1]（美）斯坦普著. 信息安全原理与实践（第2版） [M]. 张戈，译.北京：清华大学出版社，2013-05.

[2]陈鲁生，沈世镒. 现代密码学（第二版） [M].北京：科学出版社， 2008-08.

[3]林新平.浅析DES数据加密算法[J]. 福建电脑， 2008（1）.

[4]靳冰，赖宏慧，贾玉珍. DES加密算法的安全分析[J].华南金融电脑， 2007（2）：71-73.

[5]孙瑜.基于FPGA的数据加解密系统设计[D]. 大连：大连海事大学， 2010.

[6]马银华，刘明生，王书海，等.提高DES加密强度的密钥选位方法研究[J].计算机工程， 2000（3）：68-69.