什么是DES加密？
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一、DES算法的历史
美国国家标准局1973年开始研究除国防部外的其它部门的计算机系统的数据加密标准，于1973年5月15日和1974年8月27日先后两次向公众发出了征求加密算法的公告。加密算法要达到的目的（通常称为DES 密码算法要求）主要为以下四点：
☆提供高质量的数据保护，防止数据未经授权的泄露和未被察觉的修改；
☆具有相当高的复杂性，使得破译的开销超过可能获得的利益，同时又要便于理解和掌握；
☆DES密码体制的安全性应该不依赖于算法的保密，其安全性仅以加密密钥的保密为基础；
☆实现经济，运行有效，并且适用于多种完全不同的应用。
1977年1月，美国政府颁布：采纳IBM公司设计的方案作为非机密数据的正式
数据加密标准（DES Data Encryption Standard）。
二、DES算法的应用
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MAC校验等，均用到DES算法。
Java的DES加密例子
import java.security.SecureRandom;
import javax.crypto.spec.DESKeySpec;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.Cipher;
/**
* DES加密介绍 DES是一种对称加密算法，所谓对称加密算法即：加密和解密使用相同密钥的算法。DES加密算法出自IBM的研究，
* 后来被美国政府正式采用，之后开始广泛流传，但是近些年使用越来越少，因为DES使用56位密钥，以现代计算能力，
* 24小时内即可被破解。虽然如此，在某些简单应用中，我们还是可以使用DES加密算法，本文简单讲解DES的JAVA实现 。
* 注意：DES加密和解密过程中，密钥长度都必须是8的倍数
*/
public class DES
{
public DES()
{
}
// 测试
public static void main(String args[])
{
// 待加密内容
String str = "测试内容";
// 密码，长度要是8的倍数
String password = "9588028820109132570743325311898426347857298773549468758875018579537757772163084478873699447306034466200616411960574122434059469100235892702736860872901247123456";
byte[] result = DES.encrypt(str.getBytes(), password);
System.out.println("加密后：" + new String(result));
// 直接将如上内容解密
try
{
byte[] decryResult = DES.decrypt(result, password);
System.out.println("解密后：" + new String(decryResult));
} catch (Exception e1)
{
e1.printStackTrace();
}
}
/**
* 加密
*
* @param datasource
* byte[]
* @param password
* String
* @return byte[]
*/
public static byte[] encrypt(byte[] datasource, String password)
{
try
{
SecureRandom random = new SecureRandom();
DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(password.getBytes());
// 创建一个密匙工厂，然后用它把DESKeySpec转换成
SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(desKey);
// Cipher对象实际完成加密操作
Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
// 用密匙初始化Cipher对象
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, securekey, random);
// 现在，获取数据并加密
// 正式执行加密操作
return cipher.doFinal(datasource);
} catch (Throwable e)
{
e.printStackTrace();
}
return null;
}
/**
* 解密
*
* @param src
* byte[]
* @param password
* String
* @return byte[]
* @throws Exception
*/
public static byte[] decrypt(byte[] src, String password) throws Exception
{
// DES算法要求有一个可信任的随机数源
SecureRandom random = new SecureRandom();
// 创建一个DESKeySpec对象
DESKeySpec desKey = new DESKeySpec(password.getBytes());
// 创建一个密匙工厂
SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
// 将DESKeySpec对象转换成SecretKey对象
SecretKey securekey = keyFactory.generateSecret(desKey);
// Cipher对象实际完成解密操作
Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
// 用密匙初始化Cipher对象
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, securekey, random);
// 真正开始解密操作
return cipher.doFinal(src);
}
}
三、DES算法的原理
DES算法的入口参数有三个：Key、Data、Mode。
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。
为了网络上信息传输的安全（防止第三方窃取信息看到明文），发送发和接收方分别进行加密和解密，这样信息在网络上传输的时候就是相对安全的。
四、DES的加密类别
发送方和接收方进行加密和解密的算法从密钥上可以分为两类
1：对称加密技术
加密系统的加密密钥和解密密钥相同，或者虽然不同，但是可以轻松的从一个密钥推导出另外的一个密钥。
2：非对称加密技术，与对称加密技术相反
DES属于第一种对称加密技术
DES（数据加密标准）算法主要采用替换和移位的方式进行加密，它用56位（64位密钥只有56位有效）对64位二进制数据块进行加密，每次加密对64位的输入数据进行16轮编码，经过一系列替换和移位后，输入的64位原数据转换成完全不同的64位输出数据。
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PIN、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：
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、R0两部分，每部分各长32位，其置换规则见下表：
58,50,12,34,26,18,10,2,60,52,44,36,28,20,12,4,
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。
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,
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6bit数据变为4bit数据。下面给出选择函数Si(i=1,2......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＝D1D2D3D4D5D6
令：列＝D2D3D4D5
行＝D1D6
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S1的输出。下面给出子密钥Ki(48bit)的生成算法
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。
二、DES算法理论图解
DES的算法是对称的，既可用于加密又可用于解密。下图是它的算法粗框图。其具体运算过程有如下七步。
＜缺：找到补上＞
三、DES算法的应用误区
DES算法具有极高安全性，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种检测一百万个密钥，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8，16，24，......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Key的8，16，24，..... .64位作为有效数据使用，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，留下了被人攻击、被人破译的极大隐患。
五、DES的破解
PostScript：
DES 被证明是可以破解的，明文+密钥=密文，这个公式只要知道任何两个，就可以推导出第三个
在已经知道明文和对应密文的情况下，通过穷举和暴力破解是可以破解DES的。
《秘密密钥挑战赛》节选
1997年1月28日，美国的RSA数据安全公司在RSA安全年会上公布了一项“秘密密钥挑战”(Secret-KeyChallange)竞赛，分别悬赏$1000、$5000、$10000用于攻破不同密钥长度的RC5密码算法，同时还悬赏$10000破密钥长度为56bits的DES算法。
加密明文的密钥是随机选取的，明文和密钥都被严格保密，只向挑战者们公布密文和所用的初始化向量。解出的密钥以E-Mail的方式迅速报告给RSA公司，第一个解出密钥的人即成为相应挑战赛的胜利者。加利福尼亚大学伯克利分校的研究生IanGoldberg用大约250台工作站组成的网络，只用了3.5小时就攻破了40位的RC5算法。在瑞士建立的一个欧洲小组使用了遍及欧洲的3,500台机器，13天时间攻破48位密码。Brewer预计在类似的环境中攻破一个56位的密码需要大约22年。
DES分组加密算法是美国政府于1977年公布的数据加密标准，已在银行业和金融业使用了近二十年，自从其公布起，DES就一直不断地被人们研究和攻击，它是世界上最知名的、使用最广泛的分组密码算法。目前攻击DES的最有效的办法是密钥穷举攻击，Verser设计了一个密钥穷举攻击程序，用以穷举所有可能的DES密钥，直至找到正确的那一个密钥，这个计算机程序可以从Internet上分发和下载。他把这项计划命名为DESCHALL，这项计划开始时只有几百人参与，最终吸引了数万名志愿者参加。每有一名新的志愿者加入，DESCHALL小组就为其分配一部分密钥空间让其测试，这样，正确的密钥最终会在某一名志愿者的计算机中出现。参与DESCHALL计划的Internet志愿者使用了企业、高校和政府大量的计算资源，其中有计算能力强大的小型机、工作站，更不乏普通的PC机，参与的志愿者或计算机的具体数字尚未有精确的统计，但根据IP地址统计至少有78156个。基于IP地址的统计还显示，每天最多有1400台志愿计算机在工作。
美国克罗拉多州的程序员RockeVerser从97年3月13日起，在Internet上数万名志愿者的协同工作下，在RSA挑战赛公布之后的第140天、DESCHALL计划实施的第96天，6月17日的晚10点39分，盐湖城iNetZ公司的职员Michael Sanders在他那台主频为奔腾90Hz、16M内存的PC机上成功地解出了DES的明文，找到了正确的密钥（8558891ab0c851b6）。RockeVerser的这次胜利，很有可能成为其最后一击，标志着DES时代的即将结束。这将作为密码学上的一个里程碑载入史册。
DES的全部密钥穷举量为7.2e16，DESCHALL计划完成时，搜索的密钥量为1.773e16,占全部密钥穷举量的24.6%，平均每天最多搜索6.0e14个，每秒最多搜索7,0e9个，其中最后24小时搜索了5.59e14个，占全部穷举量的0.7%，假若一开始就以这个速度搜索，则DESCHALL计划只需32天即可完成。DES被破的消息公布之后，舆论界顿时哗然，因为依靠Internet的分布式计算能力，公众已经可以轻而易举地攻破DES。在如此短的时间内DES被攻破的消息让那些使用DES进行保密通信的机构、公司和个人从心里打了一个寒颤。英国剑桥的资金和技术决策主任DavidWeisman认为，DES的破解应使人们认识到随着计算能力的增长，必须相应增加算法的密钥长度。
此次DESCHALL在96天中攻破DES，还是有一定的“幸运”因素在内。根据统计资料，整个搜索过程遍历密钥空间的仅为24.6％，这就大大节约了穷搜所需时间。截止到目前，56比特的RC5挑战至今尚未被攻破。这样的挑战还会继续进行，虽然未见分晓，但可以认为，不论是DES、RC5还是其它别的算法，也不论算法的强弱，56比特密钥的使用方式都是不保密的。
在DESCHALL向DES发起穷举攻击的同时，从瑞典发起的一个攻击小组，SolNET也对DES发起了攻击。由于美国严禁密钥攻击算法出口到除加拿大的其他国家，因此DESCHALL计划仅限于美国和加拿大执行。而SolNET通过向世界发布他们的软件，也取得了可观的成绩。他们的搜索速度最高达到了每秒30亿密钥组合，并在不断加快，到竞赛结束时他们总共搜索了近一亿亿可能密钥，约为密钥总空间的七分之一。
在DESCHALL完成了他们的工作后，SolNET在网页上发表了一条简短的消息，宣布SolNET的工作停止,并请仍然有兴趣的人参加Bovine RC5攻击计划对56位RC5密钥的攻击。事实上，现在已有数十个小组开始了这项工作，而Bovine看来是很有希望赢得这次竞赛的小组之一。
