本文主要介绍了DES算法的步骤，包括IP置换、密钥置换、E扩展置换、S盒代替、P盒置换和末置换。
安全体系（零）—— 加解密算法、消息摘要、消息认证技术、数字签名与公钥证书
1.DES算法简介
DES算法为密码体制中的对称密码体制，又被称为美国数据加密标准。
DES是一个分组加密算法，典型的DES以64位为分组对数据加密，加密和解密用的是同一个算法。
密钥长64位，密钥事实上是56位参与DES运算（第8、16、24、32、40、48、56、64位是校验位，使得每个密钥都有奇数个1），分组后的明文组和56位的密钥按位替代或交换的方法形成密文组。
DES算法的主要流程如下图所示，本文按照流程依次介绍每个模块。
2.IP置换
IP置换目的是将输入的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。
置换规则如下表所示：
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58 |
50 |
42 |
34 |
26 |
18 |
10 |
2 |
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60 |
52 |
44 |
36 |
28 |
20 |
12 |
4 |
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62 |
54 |
46 |
38 |
30 |
22 |
14 |
6 |
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64 |
56 |
48 |
40 |
32 |
24 |
16 |
8 |
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57 |
49 |
41 |
33 |
25 |
17 |
9 |
1 |
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59 |
51 |
43 |
35 |
27 |
19 |
11 |
3 |
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61 |
53 |
45 |
37 |
29 |
21 |
13 |
5 |
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63 |
55 |
47 |
39 |
31 |
23 |
15 |
7 |
表中的数字代表原数据中此位置的数据在新数据中的位置，即原数据块的第1位放到新数据的第58位，第2位放到第50位，……依此类推，第64位放到第7位。置换后的数据分为L0和R0两部分，L0为新数据的左32位，R0为新数据的右32位。
设转换前的数据位D1D2D3…D64，则IP置换后的结果为L0=D58D50…D8，R0=D57D49…D7。0x0000 0080 0000 0002转换后的结果为0x0002 0000 0000 0001，且L0=0x0002 0000，R0=0x0000 0001。置换步骤如下：
原数据第33位为1，置换表第33位为64，因此将1放到新数据的第64位；原数据第63位为1，置换表第63位为7，因此将1放到新数据的第7位；其余值为0的位按此置换。要注意一点，位数是从左边开始数的，即最0x0000 0080 0000 0002最左边的位为1，最右边的位为64。
3.密钥置换
不考虑每个字节的第8位，DES的密钥由64位减至56位，每个字节的第8位作为奇偶校验位。产生的56位密钥由下表生成（注意表中没有8,16,24，32,40,48,56和64这8位）：
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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 |
|
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 |
在DES的每一轮中，从56位密钥产生出不同的48位子密钥，确定这些子密钥的方式如下：
1).将56位的密钥分成两部分，每部分28位。
2).根据轮数，这两部分分别循环左移1位或2位。每轮移动的位数如下表：
|
轮数 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
|
位数 |
1 |
1 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
1 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
2 |
1 |
移动后，从56位中选出48位。这个过程中，既置换了每位的顺序，又选择了子密钥，因此称为压缩置换。压缩置换规则如下表（注意表中没有9，18，22，25，35，38，43和54这8位）：
|
14 |
17 |
11 |
24 |
1 |
5 |
3 |
28 |
15 |
6 |
21 |
10 |
|
23 |
19 |
12 |
4 |
26 |
8 |
16 |
7 |
27 |
20 |
13 |
2 |
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41 |
52 |
31 |
37 |
47 |
55 |
30 |
40 |
51 |
45 |
33 |
48 |
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44 |
49 |
39 |
56 |
34 |
53 |
46 |
42 |
50 |
36 |
29 |
32 |
置换方法同上，此处省略。
4.E扩展置换
扩展置置换目标是IP置换后获得的右半部分R0，将32位输入扩展为48位(分为4位×8组)输出。
扩展置换目的有两个：生成与密钥相同长度的数据以进行异或运算；提供更长的结果，在后续的替代运算中可以进行压缩。
扩展置换原理如下表：
|
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 |
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20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
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24 |
25 |
26 |
27 |
28 |
29 |
|
28 |
29 |
30 |
31 |
32 |
1 |
表中的数字代表位，两列黄色数据是扩展的数据，可以看出，扩展的数据是从相邻两组分别取靠近的一位，4位变为6位。靠近32位的位为1，靠近1位的位为32。表中第二行的4取自上组中的末位，9取自下组中的首位。
我们举个例子看一下(虽然扩展置换针对的是上步IP置换中的R0，但为便于观察扩展，这里不取R0举例)：
输入数据0x1081 1001，转换为二进制就是0001 0000 1000 0001B，按照上表扩展得下表
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1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
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0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
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1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
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1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
表中的黄色数据是从临近的上下组取得的，二进制为1000 1010 0001 0100 0000 0010 1000 1010 0000 0000 0000 0010B，转换为十六进制0x8A14 028A 0002。
扩展置换之后，右半部分数据R0变为48位，与密钥置换得到的轮密钥进行异或。
5.S盒代替
压缩后的密钥与扩展分组异或以后得到48位的数据，将这个数据送人S盒，进行替代运算。替代由8个不同的S盒完成，每个S盒有6位输入4位输出。48位输入分为8个6位的分组，一个分组对应一个S盒，对应的S盒对各组进行代替操作。
一个S盒就是一个4行16列的表，盒中的每一项都是一个4位的数。S盒的6个输入确定了其对应的输出在哪一行哪一列，输入的高低两位做为行数H，中间四位做为列数L，在S-BOX中查找第H行L列对应的数据(<32)。
8个S盒如下：
S盒1
|
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 |
S盒2
|
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 |
S盒3
|
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 |
S盒4
|
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 |
19 |
|
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 |
S盒5
|
2 |
12 |
4 |
1 |
7 |
10 |
11 |
6 |
5 |
8 |
3 |
15 |
13 |
0 |
14 |
9 |
|
14 |
11 |
2 |
12 |
4 |
7 |
13 |
1 |
5 |
0 |
15 |
13 |
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 |
S盒6
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12 |
1 |
10 |
15 |
9 |
2 |
6 |
8 |
0 |
13 |
3 |
4 |
14 |
7 |
5 |
11 |
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10 |
15 |
4 |
2 |
7 |
12 |
9 |
5 |
6 |
1 |
13 |
14 |
0 |
11 |
3 |
8 |
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9 |
14 |
15 |
5 |
2 |
8 |
12 |
3 |
7 |
0 |
4 |
10 |
1 |
13 |
11 |
6 |
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4 |
3 |
2 |
12 |
9 |
5 |
15 |
10 |
11 |
14 |
1 |
7 |
6 |
0 |
8 |
13 |
S盒7
|
4 |
11 |
2 |
14 |
15 |
0 |
8 |
13 |
3 |
12 |
9 |
7 |
5 |
10 |
6 |
1 |
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13 |
0 |
11 |
7 |
4 |
9 |
1 |
10 |
14 |
3 |
5 |
12 |
2 |
15 |
8 |
6 |
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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 |
S盒8
|
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 |
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2 |
1 |
14 |
7 |
4 |
10 |
8 |
13 |
15 |
12 |
9 |
0 |
3 |
5 |
6 |
11 |
例如，假设S盒8的输入为110011，第1位和第6位组合为11，对应于S盒8的第3行；第2位到第5位为1001，对应于S盒8的第9列。S盒8的第3行第9列的数字为12，因此用1100来代替110011。注意，S盒的行列计数都是从0开始。
代替过程产生8个4位的分组，组合在一起形成32位数据。
S盒代替时DES算法的关键步骤，所有的其他的运算都是线性的，易于分析，而S盒是非线性的，相比于其他步骤，提供了更好安全性。
6.P盒置换
S盒代替运算的32位输出按照P盒进行置换。该置换把输入的每位映射到输出位，任何一位不能被映射两次，也不能被略去，映射规则如下表：
|
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 |
表中的数字代表原数据中此位置的数据在新数据中的位置，即原数据块的第16位放到新数据的第1位，第7位放到第2位，……依此类推，第25位放到第32位。
例如0x10A1 0001进行P盒置换后变为0x8000 0886。
0x10A1 0001表现为表的形式（第一位位于左上角）原来为
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0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
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1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
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0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
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0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
经P盒变换后为
|
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
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0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
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0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
即1000 0000 0000 0000 0000 1000 1000 0110B，十六进制为0x8000 0886。
最后，P盒置换的结果与最初的64位分组左半部分L0异或，然后左、右半部分交换，接着开始另一轮。
7.IP-1末置换
末置换是初始置换的逆过程，DES最后一轮后，左、右两半部分并未进行交换，而是两部分合并形成一个分组做为末置换的输入。末置换规则如下表：
|
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 |
置换方法同上，此处省略。
经过以上步骤，就可以得到密文了。