DES对称加密算法

DES（Data Encryption Standard，数据加密标准）是一种对称加密算法。

算法概述

加密类型：对称加密（同一密钥用于加密和解密）。
密钥长度：64位（8字节），其中有效密钥长度为56位，另外8位用于奇偶校验。
数据块大小：64位（8字节），即DES将数据按64位的块进行加密。

DES加密过程

DES的加密过程主要包括以下几个步骤：初始置换（IP）、16轮Feistel结构加密、逆初始置换（IP⁻¹）。

明文处理

每次加密时，DES会将数据划分为64位的块进行处理。

如果需要加密的数据超过64位，DES会将数据分成多个64位的块，然后逐块加密。
如果数据长度不是64位的整数倍，则需要使用填充（padding）技术，使最后一块达到64位。

因此，DES本身只能处理64位的数据块，但通过分块和填充，可以用于加密任意长度的数据。

填充方式

PKCS#5/PKCS#7 填充
适用范围：最常用的填充方式，适用于各种分组加密算法，包括DES。
规则：根据需要填充的字节数n，将每个填充字节都设置为n。
- 例如，如果需要填充4个字节，每个填充字节为0x04。
  如果数据长度已经是块大小的整数倍，则在块末尾填充一个完整的块，填充值为块大小。
- 示例：
  数据：“ABC”（3字节）
  填充后：“ABC\x05\x05\x05\x05\x05”（8字节）
  数据：“ABCDEFGH”（8字节）
  填充后：“ABCDEFGH\x08\x08\x08\x08\x08\x08\x08\x08”（16字节）
Zero Padding（零填充）
适用范围：对一些特定数据可以使用，但不适用于所有情况，特别是数据中有可能包含0x00的情况。
- 规则：使用0x00字节进行填充，直到数据达到64位的整数倍。如果原数据末尾恰好是0x00，则无法判断填充与数据的边界。
- 示例：
  数据：“ABC”（3字节）
  填充后：“ABC\x00\x00\x00\x00\x00”（8字节）

初始置换（IP）

输入和输出

输入：64位的数据块（例如，明文在加密时，密文在解密时）。
输出：经过置换后的64位数据块。

置换规则

初始置换根据一个固定的置换表进行，这个表规定了每一位输入数据的位置在输出数据中的新位置。具体来说，置换表会定义64位输入中的每一位如何重新排列，排列规则是固定的。

置换表

初始置换表
在这里插入图片描述

每个数字表示原始数据中位的位置。例如，第1个位置的位（最左上角的“58”）表示原始数据的第58位，现在被放置在置换后的第1位。
原始数据的第2位由第50位的输入组成，依此类推。

16轮Feistel结构加密

&emps; Feistel结构是一种常见的对称加密构造方法，其基本原理是将数据分为两部分（左部分和右部分），通过多轮相似的操作，每一轮使用一个子密钥进行数据的替换和交换。最终的结果经过逆操作就能还原到原始数据。

数据分割

&emps; 在进入16轮Feistel结构之前，经过初始置换（IP）的64位数据被分成两部分：左半部分 (L0) 和右半部分 (R0)，每部分为32位。
每一轮都会输出新的左部分和右部分，记为 Ln和 Rn，其中n 是轮次编号（从1到16）。

每一轮的操作

每一轮使用一个Feistel函数F和一个子密钥Kn ，将输入的右半部分与子密钥结合，生成一个新的右半部分。

扩展置换
32位的 Rn 通过一个固定的扩展置换表变成48位的数据。
与子密钥异或（XOR）
扩展后的48位数据与当前轮的48位子密钥Kn进行异或运算。
S盒替换
将异或后的48位数据分成8组，每组6位（48位 ÷ 8 = 6位）。
每一组6位数据通过一个固定的S盒（Substitution Box）转换为4位数据。DES总共有8个不同的S盒。
每个S盒将6位输入映射为4位输出，从而将48位数据压缩回32位。
P置换（P-Permutation）
将32位的S盒输出通过P置换表进行重新排列，得到一个的32位输出。
Feistel函数的输出
Feistel函数的输出是一个32位的结果，它与当前轮的左部分Ln进行异或，得到新的右部分 Rn+1。

数据交换

经过F函数处理之后，左右两部分交换位置：即Ln+1=Rn，Rn+1=Ln^F(Rn,Kn)

重复16轮

重复16轮得到最后的L16和R16

逆初始置换（IP⁻¹）

逆初始置换是初始置换的逆操作，用于在解密的最后一步将重新排列的数据恢复到原始顺序。它也有一个对应的置换表，IP⁻¹表如下：
在这里插入图片描述
这个表定义了如何将经过初始置换的数据重新排列回原来的顺序。

在第16轮完成后，不再进行左右交换，而是将R16和L16直接合并成64位的数据，然后通过逆初始置换得到最终64位的密文。

Python 实现

from Crypto.Cipher import DES
from Crypto.Util.Padding import pad,unpad
import binascii

key = b'12345678'
cipher = DES.new(key,DES.MODE_ECB)
data = "Bileton"
padded_data = pad(data.encode("utf-8"),DES.block_size)
encrypted_data = cipher.encrypt(padded_data)
print(binascii.hexlify(encrypted_data).decode('utf-8'))

>>> 66b99748acc81443

加上iv向量

from Crypto.Cipher import DES
from Crypto.Util.Padding import pad,unpad
import binascii

key = b'12345678'
iv = b'12345678'
cipher = DES.new(key,DES.MODE_CBC,iv)
data = "Bileton"
padded_data = pad(data.encode("utf-8"),DES.block_size)
encrypted_data = cipher.encrypt(padded_data)
print(binascii.hexlify(encrypted_data).decode('utf-8'))

>>> fa8669e459a42d7f

Java实现

Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
byte[] keys = "12345678".getBytes("UTF-8");
Key key = new SecretKeySpec(keys, "DES");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,key);
String data = "Bileton";
cipher.update(data.getBytes("UTF-8"));
byte[] encryptData = cipher.doFinal();
String encodedEncryptedData = Base64.getEncoder().encodeToString(encryptData);
System.out.println(encodedEncryptedData);

>>> ZrmXSKzIFEM=

加上iv向量

Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/CBC/PKCS5Padding");
byte[] iv = "12345678".getBytes("UTF-8");
IvParameterSpec ivParameterSpec = new IvParameterSpec(iv);
byte[] keys = "12345678".getBytes("UTF-8");
Key key = new SecretKeySpec(keys, "DES");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,key,ivParameterSpec);
String data = "Bileton";
cipher.update(data.getBytes("UTF-8"));
byte[] encryptData = cipher.doFinal();
String encodedEncryptedData = Base64.getEncoder().encodeToString(encryptData);
System.out.println(encodedEncryptedData);

>>> +oZp5FmkLX8=

Android Studio

String data = "Bileton";
String key_string = "12345678";
Key key =new SecretKeySpec(key_string.getBytes("UTF-8"),"DES");
String iv_string = "12345678";
IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(iv_string.getBytes("UTF-8"));
Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/CBC/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,key,iv);
cipher.update(data.getBytes("UTF-8"));
byte[] result = cipher.doFinal();
String encodeencrypteddata = Base64.encodeToString(result,Base64.DEFAULT);
Toast.makeText(MainActivity.this,encodeencrypteddata,Toast.LENGTH_SHORT).show();