1.   简介

       DES是Data Encryption Standard（数据加密标准）的缩写。它是由IBM公司研制的一种对称密码算法，美国国家标准局于1977年公布把它作为非机要部门使用的数据加密标准。

       DES加密算法是一种典型的对称加密，分组算法，以64位为分组，对数据加密，它的密钥长度是56位(密钥可以是任意的56位的数，而且可以任意时候改变)，加密解密用同一算法。

2.   DES加密算法流程概要（可配合下文的详细流程进行理解）：

       首先要生成一套加密密钥，从用户处取得一个64位长的密码口令（密钥中每个第8 位都用作奇偶校验，故有效密钥长度是56位），然后通过等分、移位、选取和迭代（下文有等分、移位、选取和迭代的详细过程）形成一套16个加密密钥，分别供每一轮运算中使用。

       DES对64位(bit)的明文分组M进行操作，M经过一个初始置换表IP，置换成m0。将m0明文分成左半部分和右半部分m0 = (L0，R0)，各32位长。然后进行16轮完全相同的运算（迭代），这些运算被称为函数f，在每一轮运算过程中数据与相应的密钥结合。

       在每一轮中，密钥位移位，然后再从密钥的56位中选出48位。通过一个扩展置换将数据的右半部分扩展成48位，并通过一个异或操作替代成新的48位数据，再将其压缩置换成32位。这四步运算构成了函数f。然后，通过另一个异或运算，函数f的输出与左半部分结合，其结果成为新的右半部分，原来的右半部分成为新的左半部分。将该操作重复16次。

       经过16轮迭代后，左，右半部分合在一起经过一个末置换（数据整理），这样就完成了加密过程。

加密流程如图所示：

3.   DES加密算法详细过程：

3.1.  A密钥生成

3.1.1.   第A-1步 取得密钥

从用户处取得一个64位(本文均指二进制位))长的密码口令key，

       去除64位密码中作为奇偶校验位的第8、16、24、32、40、48、56、64位，剩下的56位作为有效输入密钥。

3.1.2.   第A-2步 等分密钥

表1：
输入密钥位序/ A位序对照表

表1:密钥A位序对照表

注：表中每个单元格的数字是输入密钥位序，每个单元格的位置排序就是A位序，从左向右排，排完一行接着排下一行（下同）。

表2:
输入密钥位序/ B位序对照表

表2: 密钥B位序对照表

　　通过以上两个表，把第A-1步中生成56位输入密钥分成均等的A、B两部分，每部分为28位（注意：以上两个表中没有8、16、24、32、40、48、56、64位，是因为这些位都是上文A-1步中提到的奇偶校验位）。而且，等分为两部分的过程也不是简单地前后一分为二，而是参照表1和表2把输入密钥的位值填入相应的位置。 按对照表1所示，A的第一位为输入的64位密钥的第57位，A的第2位为64位密钥的第49位，……，依此类推，A的最后一位第28位是64位密钥的第36位。这样，形成了A、B两部分：

 3.1.3.   第A-3步 密钥移位

表3：
每次迭代时密钥循环
左移的位数

表3：密钥移位

　　DES算法的密钥是经过16次迭代（循环左移）得到一组密钥的，把在第A-2步中生成的A、B视为迭代的起始密钥，表3显示每一次迭代时密钥循环左移的位数。 比如在第1次迭代时密钥循环左移1位，第3次迭代时密钥循环左移2位。第9次迭代时密钥循环左移1位，第14次迭代时密钥循环左移2位。

第一次迭代：，第i次迭代：

3.1.4.      第A-4步 密钥选取

在第A-3步中第i次迭代生成的两个28位长的密钥为,

，把合并，得

 

表4：
56位密钥C的位序与加密密钥K的位序对照表

表4: 密钥C位序对照表

按照表4所示k的第一位为56位密钥的第14位，k的第2位为56位密钥的第17位，。。。，依此类推，k的最后一位第48位是56位密钥的第32位。 这样，就生成了一个48位使用密钥：

　这个密钥在后面的加密运算中将与进行第i次迭代加密的数据进行按位异或。

3.1.5.   第A-5步 密钥迭代

　　DES算法密钥生成需要进行16次迭代，在完成16次迭代前，循环执行第A-3步和第A-4步，最终形成16套加密密钥：key[0]，key[1]，key[2]，…key[14]，key[15]。

 

3.2.       B数据的加密操作

3.2.1.   第B-1步 取得数据

　　把明文数据分成64位的数据块，不够64位的数据块以适当的方式补足（java中有好几种填充方式，这将在以后的java实现源码分析相关的文章中介绍）：

3.2.2.   第B-2步 初始换位置换

表5：初始置换表

表5：数据初始置换表

注：表中每个单元格的位置排序是新数据的位序。下同。
　　按照表5所示把输入的64位数据的原第58位换到第一位，原第50位换到第二位，依此类推，。。。，原第7位换到第64位。最后的得到新的64位数据。

置换前(oldData)与置换后(oldData)的数据如下：

3.2.3.    第B-3步 数据扩展

表6： 数据扩展对照表（输入数据位序/生成新数据位序）

表6： 数据扩展对照表

第一次迭代以第B-2步中生成的newData作为输入数据，第i (i > 1)次迭代以第i-1次的64位输出数据为输入数据，先把64位数据按位置等分成左右两部分：

       保持left不变，根据表6把right由32位扩展置换成48位。在数据扩展操作中，有些输入数据位（如第1、4、5、17、28、29、32……等数位）用了两次，因此数据得到了扩展。这样得到扩展后的48位右半部分为： 

把扩展后的48位right与上文A-5步第i次迭代生成的48位加密密钥进行按位异或操作

形成一个新的48位的right。

3.2.4.   第B-4步 数据压缩

先介绍8个压缩置换表：

表7.1：数据压缩置换表（灰色栏内是置换前的十进制数字，白色栏内是置换后的16进制数字）

表7.1：数据压缩置换表1

表7.2

表7.2：数据压缩置换表2

表7.3 至表7.8与上表形式完全相同，仅数值不同，为节省篇幅从略不表。 

　在B-3步中形成了48位的right值,

需要把48位的right值转换成32位的right值。置换的方法如下：
第一步，先把right视为由8个6位二进制块组成， 即

a,b…. h都是6位二进制数，转换成10进制整数的值应当都不大于64。

       二步，a,b…h转换成10进制整数后，在对应的表中根据转换后整数值取得对应位置的替代值。这些替代值都是一个16进制的个位数，因此，每个替代值只占有二进制数4位。
　　转换时各查各表：
　　a对应表7.1；b对应表7.2；c对应表7.3；d对应表7.4；e对应表7.5；f对应表7.6；g对应表7.7；h对应表7.8。
　　比如：
　　a = 32 ，则到表7.1中找到32的位置，把对应的替代值16进制的8赋给a ；
　　b = 53 ，则到表7.2中找到的位置，把对应的替代值16进制的c赋给b ；
　　g = 16， 则到表7.7中找到16的位置，把对应的替代值16进制的a赋给g ；
　　这样，每6位用一个4位替换，就完成了从48位向32位数据的压缩置换。

　有些资料中介绍6位转4位的实现方法与本文所采用的不同，但殊途同归，最终的目的是相同的。

3.2.5.   第B-5步 数据换位置换

表8

表8：数据换位置换

把第B-4步形成的32位right

根据表8进行转换：
　　数据的原第16位换到第一位，原第7位换到第二位，……，依此类推，最后得到新的32位数据。

3.2.6.   第B-6步 交换数据

       把right 和left按位异或后的值赋给right，然后将本轮输入的原始right值赋给left。

3.2.7.   第B-7步 迭代

　　DES算法需要进行16次迭代，在完成16次迭代前，把第i-1次得到的的left和right的值作为第i次的输入数据，重复第B-3步到第B-6步的步骤。但是有一点要记住：在步骤第B-3中第i次迭代要选择第i次迭代生成的密钥与数据进行按位异或。

第B-8步 数据整理

表9

表9:数据整理

为保证加密和解密的对称性，DES算法的前15次迭代每完成一次迭代都要交换left和right的值，第16次迭代不交换两者的数值。
　　到此，把32位的left和right合并成64位的Data：

 

　根据表9重新调整Data的位值，数据的原第40位换到第一位，原第8位换到第二位，。。。，依此类推，最后得到新的64位。 

　好了，经过了这么多次的数学运算，我们最终得到的Data即为密文。

4.   数据的解密操作

　　数据解密的算法与加密算法相同，区别在于第B-3步中和数据进行按位异或的密钥的使用顺序不同，在加密中是按照第i次迭代就采用第i次迭代生成的密钥进行异或，而解密时第i次迭代就采用第17-i次迭代生成的密钥和数据进行异或。

5.   JAVA实现DES加解密

考虑到DES加解密过程的复杂性，jdk提供了相关api（在jce.jar中），后文将会详细介绍。

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