CN104092535A - 一种实现des密码加密的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种实现DES密码加密的方法，所述方法为：1、将待加密的64bit数据存储在一数据寄存器T，密钥数据存储在一密钥寄存器K；2、将密钥数据生成16个子密钥；3、对存储在数据寄存器T中的64bit数据进行IP变换，被分成左右两半部分，每个部分32位，以L0和R0表示；4、用16个子密钥进行递推计算；5、对第16个子密钥的L16和R16进行IP-1变换得到密文数据，密文数据存在一密文寄存器M。本发明通过建立新的等价变换表、寻找变换规律、等价调整变换表的顺序三种思路，使DES算法实现更简洁，速度更快，所需内存空间减少，而代码量没有明显增加，大大提高了软件性能。

Description

一种实现DES密码加密的方法
技术领域
本发明涉及安全信息技术领域，尤其涉及一种实现DES密码加密的方法。
背景技术
在DES(3DES)算法等金融安全相关领域，虽然所需运行时间不多，所需内存不多，但进一步加快计算速度，减少占用的内存资源，对软件性能提高大有帮助，从而可以间隔地可以提高产品性能。尤其是数据量大，计算次数多的场合，效果更是明显。而现有的DES(3DES)算法的计算速度并未有提高的方法。
现有技术中公开了一种“数据加密标准或三重数据加密标准的实现方法”，见公开号为1527531，公开日为：2004-09-08的中国专利，所述方法经过初始置换的64比特(bits)明文在每个迭代单元与不同子密钥进行迭代运算后,再经过初始置换的逆变换生成64bits的密文,其特征在于该方法还包括:a.预先计算并存储迭代运算所需的一个以上子密钥,并设定每个迭代单元与每个子密钥之间的对应关系；b.在一个时钟周期内完成一个以上迭代单元的迭代运算,且在每次迭代运算之前,根据步骤a所设定的对应关系确定当前所要使用的子密钥,然后在每个迭代单元中将初始置换后的64bits明文与所确定的子密钥进行迭代运算。该方法不仅使数据加密速度大大提高,提供了足够的加密吞吐量用来满足数据通信对流量的要求,而且提高了DES或3DES加/解密算法的安全性。该发明的技术方法与本申请文件不同，本申请是通过建立新的等价变换表、寻找变换规律、等价调整变换表的顺序三种思路，使DES算法实现更简洁，速度更快。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种实现DES密码加密的方法，使DES算法实现更简洁，速度更快，所需内存空间减少，而代码量没有明显增加，大大提高了软件性能。
本发明是这样实现的：一种实现DES密码加密的方法，包括如下步骤：
步骤1、将待加密的64bit数据存储在一数据寄存器T，密钥数据存储在一密钥寄存器K；
步骤2、将密钥数据生成16个子密钥；
步骤3、对存储在数据寄存器T中的64bit数据进行IP变换，被分成左右两半部分，每个部分32位，以L0和R0表示；
步骤4、用16个子密钥进行递推计算；
步骤5、对第16个子密钥的L16和R16进行IP-1变换得到密文数据，密文数据存在一密文寄存器M。
进一步地，所述步骤2具体为：步骤2.1、对密钥寄存器K进行PC-1变换，得到C0、D0；
步骤2.2、对C0、D0分别进行迭代循环移位，共操作16次，分别得到Ci、Di，其中1<＝i<＝16；
步骤2.3、分别对Ci、Di进行PC-2变换，得到Ki，其中1<＝i<＝16。
进一步地，所述步骤4具体为：16个子密钥进行i从1到16的如下循环操作，
Li＝Ri-1；
Ri＝Li-1+f(Ri-1,Ki)；其中'+'表示异或操作，f(Ri-1,Ki)的计算如下：
对Ri-1进行E变换，得到Ei；
Ei与Ki异或运算，得到异或后的值Ai，Ai按顺序每6bit分为1组，得到8组数据，分别记为SIj，其中1<＝j<＝8；
分别对8组SIj进行S盒变换，得到S盒变化后的值SOj，并将SOj按顺序连接起来，得到32bit的位串SL；
对SL进行P变换，得到32位的F，f(Ri-1,Ki)即等于F。
进一步地，所述PC-1变换为：按照下表中关系，将对应的位串K的值赋给位串C0、D0
其中，C0、D0的长度均为28BIT
从变换表中可发现规律，即密钥每个字节的BIT1依次组成C0的第1个字节，
K每个字节的BIT2依次组成C0的第2个字节；
K每个字节的BIT3依次组成C0的第3个字节；
K前4个字节的BIT4依次组成C0的半字节；
K后4个字节的BIT4依次组成D0的半字节；
K每个字节的BIT5依次组成D0的第1字节；
K每个字节的BIT6依次组成D0的第2字节；
K每个字节的BIT7依次组成D0的第3字节；依此规律，则可通过位运算进行实现。
进一步地，所述循环移位为：将得到C0、D0,根据以下移位的表格，进行移位得到Ci、Di；其中i为大于等于1，小于等于16的整数，其中Ci由Ci-1根据下表移位数进行循环左移得到，Di由Di-1根据下表移位数进行循环左移得到
进一步地，所述PC-2变换为：按照下表，将Ci、Di变换到Ki
PC-2变换表通过建立等价的新变换表实现。
进一步地，所述IP变换为数据64BIT的D变换为L0、R0的过程，IP变换表如下：
可根据规律进行实现变换
D的每个字节BIT1依倒序组成L0第1个字节，
D的每个字节BIT3依倒序组成L0第2个字节，
D的每个字节BIT5依倒序组成L0第3个字节，
D的每个字节BIT7依倒序组成L0第4个字节，
D的每个字节BIT0依倒序组成R0第1个字节，
D的每个字节BIT2依倒序组成R0第2个字节，
D的每个字节BIT4依倒序组成R0第3个字节，
D的每个字节BIT6依倒序组成R0第4个字节。
本发明具有如下优点：本发明通过建立新的等价变换表、寻找变换规律、等价调整变换表的顺序三种思路，使DES算法实现更简洁，速度更快，所需内存空间减少，而代码量没有明显增加，大大提高了软件性能。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图。
具体实施方式
由于3DES可以看成DES计算步骤的3次循环，同时，DES解密与DES加密步骤相似，解密方法可参照加密方法进行实现。因此以下仅说明DES加密的计算步骤。另外，DES单次加密的数据长度为64BIT，大于64BIT时可按照每次64BIT进行分段加密，最后把密文按顺序连接起来即可，因此，本专利仅阐述64BIT的数据加密方法。
参照图1所示，一种实现DES密码加密的方法，包括如下步骤：
步骤1、将待加密的64bit数据存储在一数据寄存器T，密钥数据存储在一密钥寄存器K；
步骤2、将密钥数据生成16个子密钥；该步骤具体为：
步骤2.1、对密钥寄存器K进行PC-1变换，得到C0、D0；
步骤2.2、对C0、D0分别进行迭代循环移位，共操作16次，分别得到Ci、Di，其中1<＝i<＝16；
步骤2.3、分别对Ci、Di进行PC-2变换，得到Ki，其中1<＝i<＝16。
步骤3、对存储在数据寄存器T中的64bit数据进行IP变换，被分成左右两半部分，每个部分32位，以L0和R0表示；
步骤4、用16个子密钥进行递推计算；
所述步骤4具体为：16个子密钥进行i从1到16的如下循环操作，
Li＝Ri-1；
Ri＝Li-1+f(Ri-1,Ki)；其中'+'表示异或操作，f(Ri-1,Ki)的计算如下：
对Ri-1进行E变换，得到Ei；
Ei与Ki异或运算，得到异或后的值Ai，Ai按顺序每6bit分为1组，得到8组数据，分别记为SIj，其中1<＝j<＝8；
分别对8组SIj进行S盒变换，得到S盒变化后的值SOj，并将SOj按顺序连接起来，得到32bit的位串SL；
对SL进行P变换，得到32位的F，f(Ri-1,Ki)即等于F。
步骤5、对第16个子密钥的L16和R16进行IP-1变换得到密文数据，密文数据存在一密文寄存器M。
所述数据寄存器T：存储用户的明文数据，单次加密的明文数据为64BIT。
密钥寄存器K：存储用户的密钥，长度为64BIT。
密文寄存器M：存储密文数据，输出给用户
其中，所述PC-1变换为：按照下表1中关系，将对应的位串K的值赋给位串C0、D0
其中，C0、D0的长度均为28BIT
表1
从变换表中可发现规律，即密钥每个字节的BIT1依次组成C0的第1个字节，
K每个字节的BIT2依次组成C0的第2个字节；
K每个字节的BIT3依次组成C0的第3个字节；
K前4个字节的BIT4依次组成C0的半字节；
K后4个字节的BIT4依次组成D0的半字节；
K每个字节的BIT5依次组成D0的第1字节；
K每个字节的BIT6依次组成D0的第2字节；
K每个字节的BIT7依次组成D0的第3字节；依此规律，则可通过位运算进行实现。
所述循环移位为：将得到C0、D0,根据以下移位的表格，进行移位得到Ci、Di；其中i为大于等于1，小于等于16的整数，其中Ci由Ci-1根据下表移位数进行循环左移得到，Di由Di-1根据下表2移位数进行循环左移得到
表2
所述PC-2变换为：按照下表3，将Ci、Di变换到Ki
表3
PC-2变换表通过建立等价的新变换表实现。
所述IP变换为数据64BIT的D变换为L0、R0的过程，IP变换表如下表4：
表4
可根据规律进行实现变换
D的每个字节BIT1依倒序组成L0第1个字节，
D的每个字节BIT3依倒序组成L0第2个字节，
D的每个字节BIT5依倒序组成L0第3个字节，
D的每个字节BIT7依倒序组成L0第4个字节，
D的每个字节BIT0依倒序组成R0第1个字节，
D的每个字节BIT2依倒序组成R0第2个字节，
D的每个字节BIT4依倒序组成R0第3个字节，
D的每个字节BIT6依倒序组成R0第4个字节。
所述E变换为：E变换是将32位的Ri变换为48位Ei的过程，E变换如下表表5
表5
E变换表由于变换具有较多的连续性，可用简单的几个连续BIT的掩码进行位运算得到结果。
现有的原S盒变换分别如下
S1盒对应表
S2盒对应表
S3盒对应表
S4盒对应表
S5盒对应表
S6盒对应表
S7盒对应表
S8盒对应表
原S盒算法为输入b1b2b3b4b5b6，计算x＝b1*2+b6,y＝b5+b4*2+b3*4+b2*8再从Si盒表中查出x行，y列的值Sxy，将Sxy化为四位二进制数，即得Si盒的输出。显然，计算x、y时，需要对输入进行取出各个BIT，不方便进行直接操作。
本发明的S盒变换分别如下：数据表，
S1盒：
S2盒：
S3盒：
S4盒：
S5盒：
S6盒：
S7盒：
S8盒：
S盒算法为输入b1、b2、b3、b4、b5、b6，使得计算x、y时公式变为x＝b1*2+b2，y＝b6+b5*2+b4*4+b3*8；再从Si盒表中查出x行，y列的值Sxy，将Sxy化为四位二进制数，即得Si盒的输出。
所述P变换为：Si按照P变换得到32位的Fi，变换表如下表表6
表6
通过建立等价的新变换表实现。
所述IP-1变换将L16、R16变换为M，变换表如下表7，R16在前，L16在后，R16、L16连接起来的的位串记为M0
表7
按照规律进行编写代码：
M第5个字节的每个BIT依次是M0每个字节的BIT7；
M第1个字节的每个BIT依次是M0每个字节的BIT6；
M第6个字节的每个BIT依次是M0每个字节的BIT5；
M第2个字节的每个BIT依次是M0每个字节的BIT4；
M第7个字节的每个BIT依次是M0每个字节的BIT3；
M第3个字节的每个BIT依次是M0每个字节的BIT2；
M第8个字节的每个BIT依次是M0每个字节的BIT1；
M第4个字节的每个BIT依次是M0每个字节的BIT0。
总之，本发明的总思路为：
思路一：DES算法中，有多个查找表(或叫比特变换表)，即根据特定表格所描述的规则进行比特替换。在代码实现上，一种做法是将数据按比特进行扩展为字节，即1个比特占用一个字节的空间，这样方便代码操作，最后结果再进行比特压缩，即将每8个字节(的有效比特)按正确顺序重新组成1个字节。虽然代码操作方便了，但存在两个问题，一是扩展、压缩过程中浪费了时间，二是中间计算过程1个比特占用1个字节，浪费了大量的内存空间。
因此，经过研究，通过采用第一次移位提取有效bit，再通过第二次移位实现比特变换，并建立新的移位表实现代码压缩，解决上述两个问题。经比较两种实现方式，发现后者在性能上(速度、内存资源两个方面)有很大的改善。
思路二：部分比特变换表通过寻找规律，以较简洁的位操作进行实现。
思路三：在进行S盒变换过程中，按照原表格规则进行变换代码实现上比较复杂，因此进行S盒数据的位置移动，同时对应修改变换规则，实现代码简洁、并使计算时间缩短。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (11)

1.一种实现DES密码加密的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将待加密的64bit数据存储在一数据寄存器T，密钥数据存储在一密钥寄存器K；
步骤2、将密钥数据生成16个子密钥；
步骤3、对存储在数据寄存器T中的64bit数据进行IP变换，被分成左右两半部分，每个部分32位，以L0和R0表示；
步骤4、用16个子密钥进行递推计算；
步骤5、对第16个子密钥的L16和R16进行IP-1变换得到密文数据，密文数据存在一密文寄存器M。
2.根据权利要求1所述的一种实现DES密码加密的方法，其特征在于：
所述步骤2具体为：步骤2.1、对密钥寄存器K进行PC-1变换，得到C0、D0；
步骤2.2、对C0、D0分别进行迭代循环移位，共操作16次，分别得到Ci、Di，其中1<＝i<＝16；
步骤2.3、分别对Ci、Di进行PC-2变换，得到Ki，其中1<＝i<＝16。
3.根据权利要求2所述的一种实现DES密码加密的方法，其特征在于：
所述步骤4具体为：16个子密钥进行i从1到16的如下循环操作，
Li＝Ri-1；
Ri＝Li-1+f(Ri-1,Ki)；其中'+'表示异或操作，f(Ri-1,Ki)的计算如下：
对Ri-1进行E变换，得到Ei；
Ei与Ki异或运算，得到异或后的值Ai，Ai按顺序每6bit分为1组，得到8组数据，分别记为SIj，其中1<＝j<＝8；
分别对8组SIj进行S盒变换，得到S盒变化后的值SOj，并将SOj按顺序连接起来，得到32bit的位串SL；
对SL进行P变换，得到32位的F，f(Ri-1,Ki)即等于F。
4.根据权利要求2所述的一种实现DES密码加密的方法，其特征在于：所述PC-1变换为：按照下表中关系，将对应的位串K的值赋给位串C0、D0
其中，C0、D0的长度均为28BIT
从变换表中可发现规律，即密钥每个字节的BIT1依次组成C0的第1个字节，
K每个字节的BIT2依次组成C0的第2个字节；
K每个字节的BIT3依次组成C0的第3个字节；
K前4个字节的BIT4依次组成C0的半字节；
K后4个字节的BIT4依次组成D0的半字节；
K每个字节的BIT5依次组成D0的第1字节；
K每个字节的BIT6依次组成D0的第2字节；
K每个字节的BIT7依次组成D0的第3字节；依此规律，则可通过位运算进行实现。
5.根据权利要求2所述的一种实现DES密码加密的方法，其特征在于：
所述循环移位为：将得到C0、D0,根据以下移位的表格，进行移位得到Ci、Di；其中i为大于等于1，小于等于16的整数，其中Ci由Ci-1根据下表移位数进行循环左移得到，Di由Di-1根据下表移位数进行循环左移得到
6.根据权利要求2所述的一种实现DES密码加密的方法，其特征在于：所述PC-2变换为：按照下表，将Ci、Di变换到Ki
PC-2变换表通过建立等价的新变换表实现。
7.根据权利要求1所述的一种实现DES密码加密的方法，其特征在于：所述IP变换为数据64BIT的D变换为L0、R0的过程，IP变换表如下：
可根据规律进行实现变换
D的每个字节BIT1依倒序组成L0第1个字节，
D的每个字节BIT3依倒序组成L0第2个字节，
D的每个字节BIT5依倒序组成L0第3个字节，
D的每个字节BIT7依倒序组成L0第4个字节，
D的每个字节BIT0依倒序组成R0第1个字节，
D的每个字节BIT2依倒序组成R0第2个字节，
D的每个字节BIT4依倒序组成R0第3个字节，
D的每个字节BIT6依倒序组成R0第4个字节。
8.根据权利要求3所述的一种实现DES密码加密的方法，其特征在于：所述E变换为：E变换是将32位的Ri变换为48位Ei的过程，E变换如下表
E变换表由于变换具有较多的连续性，可用简单的几个连续BIT的掩码进行位运算得到结果。
9.根据权利要求3所述的一种实现DES密码加密的方法，其特征在于：S盒变换分别如下：数据表，
S1盒：
S2盒：
S3盒：
S4盒：
S5盒：
S6盒：
S7盒：
S8盒：
S盒算法为输入b1、b2、b3、b4、b5、b6，使得计算x、y时公式变为x＝b1*2+b2，y＝b6+b5*2+b4*4+b3*8；再从Si盒表中查出x行，y列的值Sxy，将Sxy化为四位二进制数，即得Si盒的输出。
10.根据权利要求9所述的一种实现DES密码加密的方法，其特征在于：所述P变换为：Si按照P变换得到32位的Fi，变换表如下表
通过建立等价的新变换表实现。
11.根据权利要求3所述的一种实现DES密码加密的方法，其特征在于：所述IP-1变换将L16、R16变换为M，变换表如下R16在前，L16在后，R16、L16连接起来的的位串记为M0
按照规律进行编写代码：
M第5个字节的每个BIT依次是M0每个字节的BIT7；
M第1个字节的每个BIT依次是M0每个字节的BIT6；
M第6个字节的每个BIT依次是M0每个字节的BIT5；
M第2个字节的每个BIT依次是M0每个字节的BIT4；
M第7个字节的每个BIT依次是M0每个字节的BIT3；
M第3个字节的每个BIT依次是M0每个字节的BIT2；
M第8个字节的每个BIT依次是M0每个字节的BIT1；
M第4个字节的每个BIT依次是M0每个字节的BIT0。
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