DES

Definition

定义

DES（Data Encryption Standard，数据加密标准）是一种经典的分组对称加密算法，专为保护电子数据而设计。它在1970年代由IBM研制，并成为国际标准，广泛应用于金融和信息安全领域。

DES的核心是Feistel网络结构，将64位明文分为左右两部分，经过16轮复杂的置换和替换操作，使用56位密钥生成48位子密钥进行加密。每轮包含各种复杂操作，确保高强度的混淆和扩散效果。

加密流程

• “切块”：先把数据分成8字节（64位）一块一块，每块分别加密处理。
• “打乱顺序”：每块数据的各个小部分，先按照一份“打乱顺序”的规则重新排列（初始置换），让原始结构变模糊。
• “轮流变换”：接下来把这块数据反复操作16次（就是“16轮运算”）。每次都用密钥变出一个“轮密钥”，像做多层保险，每轮都把左右两部分数据混着变换：
  • 一部分数据和“轮密钥”做杂交、互相混合（异或、查表、打乱顺序）。
  • 最后把变换后的结果跟另一部分数据搭配，给下一轮做准备。
• “再打乱一次”：16轮完毕后，把数据再按一套新顺序拼起来（逆置换），最终就得到加密后的密文。

解密流程

“反向拆解”：解密就像倒放电影，使用密钥相反顺序，把上面的“打乱+混合”操作全部反着做一遍，每步都回到上一步，直到还原成明文。用的密钥、变换规矩完全一致，只是顺序反过来

Feistel网络结构

Feistel网络是一种经典的分组加密设计框架，也是DES核心结构。它把数据块一分为二（左半L，右半R），加密时：

• 每一轮都用一个“轮函数”对右半部分和子密钥一起操作，计算结果跟左半部分异或，然后左右互换，进入下一轮。
• 多轮后可获得极强的“混淆”和“扩散”效果（即让密文和密钥、明文之间的关系变得极其复杂）。

Feistel最大的优点是，加密与解密流程基本一致，只需逆序使用轮密钥即可完成解密。

特点与安全性

• 属于“块加密”与“对称密钥”体系
  • 块加密：数据按固定大小（64位）分块处理
  • 对称密钥：加密和解密用同一把密钥
• DES算法运算速度高，硬件易于实现，但密钥空间较小（56位），随着计算能力提升易遭暴力破解和差分分析攻击。
• 今日实际应用多采用AES等更强加密算法，DES更多作为密码学教学和加密算法发展的里程碑

差分密码分析

• 想象把两个很相近的明文（输入）加密，得到了两个密文（输出），比较这两组结果，看它们的差异随加密过程改变的规律。
• 通过观察，不同输入的某些差别（差分），在经过多轮加密后的密文里，会出现特定的规律——这些规律不是完全随机，而是和密钥设置有关。
• 如果能大量收集“明文-密文对”并分析它们差异的变化，就能慢慢推断出密钥的某些内容，比如哪一部分密钥更可能导致某种密文差分。
• 举个例子：假如用DES加密，两段很接近的明文（比如只差一个位置为1），得到的密文也正好在第二位有相同的差异，反复统计就会发现这个现象和密钥某一部分相关——继续统计和验证后，就能一步步猜到密钥具体值。

3DES

• 由于DES的56位密钥长度在现代计算能力下易被暴力破解，三重DES（3DES）通过三次应用DES算法来增强安全性。
• 明文经过三次DES处理才能变成最后的密文，由于DES密钥的长度实质上是56比特，因此三重DES的密钥长度就是56×3=168比特。
• 三重DES的加密过程是：先用第K1加密，接着用第K2解密，最后用K3再加密一次。解密过程则是反过来进行。
• 3DES兼容普通DES算法：如果三把密钥都一样（K1=K2=K3），3DES加密效果与单次DES完全相同，有利于旧系统平滑升级。
• 3DES目前已在多数领域被列为过时算法，全球主流标准和金融、政府等对安全有高要求的场合已普遍迁移到更安全和效率更高的AES等算法，但3DES仍在部分旧系统、遗留业务及个别硬件设备中有限应用。