淺析DES數(shù)據(jù)加密算法

1、2008年第1期福建電腦淺析DES數(shù)據(jù)加密算法林新平(汕頭職業(yè)技術(shù)學院廣東汕頭515078【摘要】:數(shù)據(jù)加密可以分為對稱密鑰加密和非對稱密鑰加密,其中DES算法屬于對稱密鑰加密。本文簡單的描述了DES算法,闡述了其基本的加密原理。【關(guān)鍵詞】:加密;DES算法1.引言跨入21世紀,人類社會已經(jīng)進入了信息時代,信息已經(jīng)成為最重要的資源,信息的保密問題就越來越重要了。無論是個人信息通信還是電子商務(wù)的發(fā)展,都迫切需要保證信息傳輸?shù)陌踩约氨ＷC信息的安全。其中,數(shù)據(jù)加密是信息安全的核心。數(shù)據(jù)加密就是把信息隱藏起來,使隱藏后的信息在傳輸?shù)倪^程中,即使被竊取或截獲,竊取者也不能了解信息的內(nèi)容,從而保證了信息

2、傳輸?shù)陌踩约靶畔⒌陌踩?。?shù)據(jù)加密技術(shù)是一門學科,它集合了數(shù)學、計算機科學、電子與通信等學科于一身。加密技術(shù)發(fā)展到今天,主要分為對稱加密和非對稱加密。其中,對稱加密是指使用同樣的密鑰對數(shù)據(jù)進行加密和解密。本文討論的DES算法就是對稱加密的一種加密技術(shù),而且也是最重要的一種加密技術(shù)之一。2.DES算法簡介DES(Data Encryption Standard,又稱數(shù)據(jù)加密標準,是美國IBM公司于20世紀70年代中期的一個密碼算法發(fā)展而來的,并于1977年被美國國家標準局公布為美國數(shù)據(jù)加密標準。該加密算法能達到以下四個要求:其一是,提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)保護,防止數(shù)據(jù)未經(jīng)授權(quán)的泄露和未被察覺的修改;其

3、二是,具有相當高的復雜性,使得破譯的開銷超過可能獲得的利益,同時又便于理解和掌握;其三是,DES密碼體制的安全性應(yīng)該不依賴于算法的保密,其安全性僅以加密密鑰的保密為基礎(chǔ);最后,實現(xiàn)經(jīng)濟,運行有效,并且適用于多種完全不同的應(yīng)用。DES算法的入口參數(shù)有三個:Key、Data、Mode。其中Key為8個字節(jié)共64位,是DES算法的工作密鑰;Data也為8個字節(jié)64位,是要被加密或被解密的數(shù)據(jù);Mode為DES的工作方式,有加密和解密2種。Mode為加密,則用Key去把數(shù)據(jù)Data進行加密,生成Data的密碼形式(64位作為DES的輸出結(jié)果;如Mode為解密,則用Key去把密碼形式的數(shù)據(jù)Data解密,

4、還原為Data的明碼形式(64位作為DES的輸出結(jié)果。3.DES算法的加密過程DES使用56位密鑰對64位數(shù)據(jù)塊進行加密,需要進行16輪編碼。在每輪編碼時,一個48位的密鑰值由56位的完整密鑰通過置換得出來。在每輪編碼過程中,64位數(shù)據(jù)和每輪密鑰值被輸入一個成為"S"的盒中,由一個壓碼函數(shù)對數(shù)位進行編碼。另外,在每輪編碼開始、過后以及每輪之間,64位數(shù)據(jù)被以一種特別的方式置換,打亂數(shù)位順序。在每一步處理中都要從56位的主密鑰中得出一個唯一的輪次密鑰。最后,輸入的64位原始數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成64位看起來被完全打亂了的輸出數(shù)據(jù),但可以用解密算法將其轉(zhuǎn)換成輸入時的狀態(tài)。DES加密過程如

5、下圖所示:4.DES算法的加密原理DES算法的加密過程大致可分成四步:初始置換、迭代過程、子密鑰生成和逆置換。首先,對64位數(shù)據(jù)分組(明文作為輸入數(shù)據(jù)按規(guī)定的初始置換(初始置換矩陣如下表重排,再分為兩個32位的分組,分別記為L0和R0。接著,R0與子密鑰K1經(jīng)過F函數(shù)的運算,得到32位的輸出,再與L0作逐位進行異或運算(Xor,得到R1,而下一輪的L1則是上一輪的R0,如此迭代16輪,最后一輪得到的R16與L16不必再迭代,直接聯(lián)結(jié)成64位的數(shù)據(jù),然后再作一輪逆置換,得到64位的最終輸出。第一步,初始置換初始置換功能是把輸入的64位數(shù)據(jù)塊按位重新組合,攪亂數(shù)據(jù)的原來的順序后,并把輸出分為L0,

6、R0兩部分,每部分32位,其置換規(guī)則如下表初始置換表也就是將原來的第58位換到第1位,第50位換到第2位,.以此類推,最后一位是原來的第7位。L0和R0則是換位輸出后的兩部分,L0是輸出的左32位,R0是右32位。例如:置換前的輸入值是D1D2D3.D64,則經(jīng)過置換后的結(jié)果是L0= D58D50.D8,R0=D57D49 (7第二步,迭代過程迭代過程是DES算法的第二步,它將第一步得到的結(jié)果分為兩半L0和R0,設(shè)密鑰K=K1K2K64,Ki的取值為0或者1,i取值為大于等于1并小于等于64的整數(shù)。DES加密算法過程與密鑰K一起作用的16輪乘積變換可以形式的表示為: L i=R i-1R i=

7、L i-1!F(R i-1,K i其中Li,Ri的長度均為32位。符號為模2加,F是由密鑰K分解產(chǎn)生并經(jīng)變化后的一個48位子密鑰。DES最后一輪左半部分右半部分并未交換,而是直接將R16L16并在一塊作為最后置換的輸入。對R16L16進行逆初始置換的目的就是為了使加解密統(tǒng)一使用一個算法。迭代過程如下圖:第三步,子密鑰的生成使用者所持有的初始密鑰是64位。初始密鑰首先經(jīng)過密鑰置換A(如下表所示,生成一個56位的密鑰,接著,將這56位的密鑰分成兩個28位的分組C0和D0,再分別經(jīng)過一個循環(huán)左圖1:DES 加密過程582008年第1期福建電腦 (上接第55頁!方案二四.圖像壓縮仿真實驗及結(jié)論本實驗采

8、用128×128標準測試圖象(圖1,小波類型采用db9,直接設(shè)定閾值壓縮。圖像質(zhì)量評價規(guī)則采用峰值信噪比PSNR,定義如下:其中p i 為原圖像點值,p i *為重建圖像點值。根據(jù)方案一、二對實驗圖像進行MATLAB 仿真實驗處理,為了對比壓縮效果,對原始圖像還進行了單純小波變換壓縮。結(jié)果見表1。 圖1原始圖像128128表一方案一方案二小波變換圖2標準圖象有損壓縮對比實驗仿真結(jié)果顯示,在相同信噪比的情況下,方案一、方案二的壓縮率基本高于單純用小波變換的結(jié)果。在高信噪比的情況下方案一優(yōu)于方案二,在低信噪比的情況下方案二優(yōu)于方案一?？傊?本文提出的奇異值分解(SVD 與小波變換結(jié)合的圖

9、像壓縮算法是比較有效的。參考文獻:1.王璟瑞等基于小波變換的圖象壓縮方法計量與測試技術(shù)2005年02期2.彭曉欽等基于小波變換的靜止圖象壓縮技術(shù)研究桂林電子工業(yè)學院學報1998年3月第三期3.黃建華等小波變換在圖像壓縮中的應(yīng)用研究遼寧工學院學報2006年12月第6期4.陳耀明小波變換在圖像數(shù)據(jù)壓縮中的應(yīng)用現(xiàn)代電子技術(shù)2007年第6期6.Mercier,G.Despeckle-based SAR image compression.Geoscience and R emote Sensing Symposium,2001.IGAR SS '01.IEEE 2001Internationa

10、l移函數(shù),得到C1和D1。C1和D1連接成一個56位的數(shù)據(jù),再按照密鑰置換B (如下表所示做重排動作,得到了子密鑰K1。C1和D1,再分別經(jīng)過一個循環(huán)左移函數(shù)得到C2和D2,C2和D2連接成56位數(shù)據(jù),再按照密鑰置換B 做重排動作,這樣就產(chǎn)生了子密鑰K2。依次下去就產(chǎn)生了子密鑰K3,K4,K16。值得注意的是,密鑰置換A 的輸入為64位,輸出為56位;而密鑰置換B 的輸入為56位,輸出為48位。第四步,逆置換這是DES 算法的最后一步,逆置換的作用是把初始置換后已處于混亂狀態(tài)的64位數(shù)據(jù),變換到原來的正常位置。例如,明文中第58位數(shù)據(jù)在初始置換后處于第1位,而通過逆置換后,又將第1位換回到第58位。逆置換如下表:5.結(jié)束語DES 算法具有極高的安全性,到目前為止,除了用窮舉法對DES 算法進行攻擊外,還沒有發(fā)現(xiàn)更有效的方法,而DES 的密鑰長度是56,那么它的窮舉空間為2的56次方,這意味著如果一臺計算機的速度是每秒鐘檢測100萬個密鑰,則搜索完全部密鑰也需要2285年的時間,這是難以實現(xiàn)的。隨著硬件的發(fā)展,計算機速度的提高,這是,我們可以把DES 密鑰的長度增長,可以達到更高的保密程度。DES 算法對大量明文數(shù)據(jù)加密具有極高的安全性,但對少量明文數(shù)據(jù)加密的安全性較差。本文通過分析DES 算法對明文的實質(zhì)加密過程,可以看出,在應(yīng)用DES 算法的某些領(lǐng)域,DES