Алгоритм шифрования DES

Алгоритм DES (Data Encription Standart) был принят в 1980 году в качестве национального стандарта шифрования данных. Параметры алгоритма таковы: разрядность блока – 64 бита, размер ключа – 56 бит (с учетом контрольных разрядов – 64 бита). Алгоритм представляет собой классическую сеть Файстеля из 16 раундов с добавлением входной и выходной перестановки бит. Общая структура алгоритма приведена на рис. 3.х.

Во входной перестановке используется следующее правило перестановки бит (приведены порядковые номера бит из исходных данных, считая с "1"):

58, 50, 42, 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.

Обратная перестановка бит является обратной к входной, правило перестановки бит в ней имеет вид:

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.

Добавление материала ключа производится только в сети Файстеля, поэтому данная операция и выполняет собственно шифрование данных.

Разрядность ключей раундов, применяемых в DES равна 48 битам. Для симметричности алгоритма шифрования/дешифрования в DES, как и в классической сети Файстеля, производится дополнительный размен (перестановка) последнего обмена ветвей. Это позволяет производить шифрование и дешифрование одним и тем же программным кодом, передавая ему в первом случае ключи раундов в прямом порядке (k₀, k₁, …, k₁₅). Во втором случае в обратном (k₁₅, k₁₄, …, k₀). Общий вид сети Файстеля алгоритма DES приведен на рис. 2. 3.

Образующая функция сети в алгоритме DES состоит из 4 операций:

1) перестановка бит/расширение блока с помощью повторов по определенной схеме;

2) наложение ключа раунда операцией XOR;

3) табличные подстановки;

4) перестановка бит.

Расширение входных данных производится на уровне бит записью некоторых из них в выходной поток дважды. В результате из 32 бит получается 48-битный блок информации, совпадающий по размеру с ключом раунда. Закон расширения выглядит следующим образом (приведены порядковые номера битов исходного блока, считая с "1"):

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.

Наложение ключа раунда производится операцией XOR, разрядность операции – 48 бит. Расширение ключа (создание ключей раунда) производится в DES по следующей схеме. На основе 56 значащих бит из ключа на начальном этапе создаются два 28-битных вектора C₀ и D₀ путем выбора бит из ключа в определенной последовательности.

Закон выбора бит из ключа для С₀:

57, 49, 41, 33, 25, 17, 9, 1, 58, 50, 42, 34, 26, 18,

10, 2, 59, 51, 43, 35, 27, 19, 11, 3, 60, 52, 44, 36.

Закон выбора бит из ключа для D₀:

63, 55, 47, 39, 31, 23, 15, 7, 62, 54, 46, 38, 30, 22,

14, 6, 61, 53, 45, 37, 29, 21, 13, 5, 28, 20, 12, 4.

Следует отметить, что в каждом байте значащими являются только первые 7 бит, а восьмой добавляется при записи, исходя из правила "количество единиц в двоичной записи каждого байта нечетно". Таким образом, при истинной разрядности ключа в 56 бит хранится он в 64-битной структуре.

Для генерации каждого очередного ключа раунда k_i вектора C₀ и D₀ циклически сдвигаются влево на количество разрядов, указанное в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Величины циклических сдвигов векторов С и D при генерации ключей

Для выбора 48 бит ключа i – раунда, получившиеся после циклических сдвигов вектора C_iD_i объединяются, и из 56 бит получившегося массива отбираются 48 по следующему закону:

14, 17, 11, 24, 1, 5, 3, 28, 15, 6, 21, 10, 23, 19, 12, 4,

26, 8, 16, 7, 27, 20, 13, 2, 41, 52, 31, 37, 47, 55, 30, 40,

51, 45, 33, 48, 44, 49, 39, 56, 34, 53, 46, 42, 50, 36, 29, 32.

Табличные подстановки, применяемые в DES, имеют разрядность 6´ 4 бита. 48 – битный блок данных после наложения ключа разбивается на 8 блоков по 6 бит. Каждый блок пропускается через свою табличную подстановку, обозначаемую S0, S1, и т. д. В результате получаются 8 блоков по 4 бита в каждом: итого 32 бита – первоначальная разрядность обрабатываемой ветви.

Заключительной операцией образующей функции является перестановка бит внутри 32-битного блока, отвечающая за перемешивание информации. Правило перестановки выглядит следующим образом (приведены порядковые номера битов из 32-разрядного блока – результата табличных подстановок, считая с "1"):

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.

Общий вид одного раунда сети Файстеля алгоритма DES приведен на рис. 2.5.

За многие годы исследований DES зарекомендовал себя надежным шрифтом. Однако, малый размер ключа и ориентация на аппаратную реализацию заставили DES уйти с рынка.