Алгоритм шифрования DES

Алгоритм шифрования данных DES разработан для зашифрования и расшифрования данных разрядностью 64 бит на основе 64-битового ключа. Расшифрование выполняется по тому же ключу, что и зашифрование, но этот процесс является инверсным по отношению к процессу зашифрования данных. При описании алгоритма шифрования используются следующие обозначения. Если L и R - последовательности бит, то через LR будем обозначать конкатенацию последовательностей L и R, т.е. последовательность бит, размерность которой равна сумме размерностей L и R. В этой последовательности биты последовательности R следуют за битами последовательности L. Конкатенация битовых строк является ассоциативной, то есть запись ABCDE, означает, что за битами последовательности A, следуют, биты последовательности B, затем C и т.д. Символом + будем обозначать операцию побитового сложения по модулю 2.

Процесс шифрования данных поясняется рисунком 1. Сначала 64 бита входной последовательности перестанавливаются в соответствии с таблицей 1. Таким образом, бит 58 входной последовательности становится битом 1, бит 50 – 2 и т.д.

L(i)=R(i-1), i=1,2,...,16.

R(i)=L(i-1) + F(R(i-1),K(i)), i=1,2,...,16.

Функция F называется функцией шифрования. Ее аргументами являются последовательность R, полученная на предыдущем шаге, и 48-битовый ключ K(i), который является результатом функции преобразования 64-битового ключа шифра. Подробно функция шифрования и алгоритм получения ключей K(i) описаны ниже.

На последнем шаге итерации будут получены последовательности L(16) и R(16), которые конкатенируются в 64-х битовую последовательность R(16)L(16). Видно, что в полученной последовательности 64 бита, перестанавливаются в соответствии с таблицей 2. Как легко видеть данная перестановка является обратной по отношению к начальной (см. таблицу 1).

Процесс расшифрования данных является инверсным по отношению к процессу шифрования. Все действия должны быть выполнены в обратном порядке. Это означает, что расшифровываемые данные сначала переставляются в соответствии с таблицей 1, а затем над последовательностью бит R(16)L(16) выполняется те же действия, что и в процессе зашифрования, но в обратном порядке. Итеративный процесс расшифрования описан следующими формулами:

R(i-1)=L(i), i =16, 15, ..., 1

L(i-1)=R(i)+F(L(i),K(i)), i=16, 15, ..., 1.

На последнем шаге итерации будут получены последовательности L(0) и R(0), которые конкетанируются в 64 битовую последовательность L(0)R(0). В полученной последовательности 64 бита перестанавливаются в соответствии с таблицей 2. Результат преобразования - исходная последовательность бит (расшифрованное 64-битовое значение).

Функция шифрования F(R,K) схематически показана на рисунке 2. Для вычисления значения функции F используется функция E (расширение 32 бит до 48), функции S(1), S(2),...,S(8) преобразование 6-битового числа в 4-битовое) и функция P (перестановка бит в 32-битовой последовательности). Приведем определения этих функций. Аргументами функции шифрования являются R (32 бита) и K (48 бит). Результат функции E(R) есть 48-битовое число, которое складывается по модулю 2 с числом K. Таким образом, получается 48-битовая последовательность, которая рассматривается, как конкатенация 8 строк длиной по 6 бит (т.е. B(1)B(2)B(3)B(4)B(5)B(6)B(7)B(8)). Результат функции S(i)B(i) - 4 битовая последовательность, которую будем обозначать L(i). В результате конкетанации всех 8 полученных последвательностей L(i) имеем 32-битовую последовательность L=L(1)L(2)L(3)L(4)L(5)L(6)L(7)L(8). Наконец, для получения результат функции шифрования надо переставить биты последовательности L. Для этого применяется функция перестановки P(L).

Функция расширения Е, выполняющая расширение 32 бит до 48, определяется таблицей 3. В соответствии с этой таблицей первые три бита Е(R) - это биты 32,1 и 2, а последние - 31,32,1.

• первый и последний биты входной последовательности B, определяют номер строки k.
• второй, третий, четвертый и пятый биты последовательности B задают номер колонки l
• результат преобразования выбирается из строки k и колонки l.

Предположим, что B=011011. Тогда S(1)(B)=0101. Действительно, k=1, l=13. В колонке 13 строки 1 задано значение 5, которое и является значением функции S(1)(011011).

Функция перестановки бит P(L), также используемая для определения функции шифрования, задается значениями, приведенными в таблице 5. В последовательности L 32 перестанавливается так, чтобы бит 16 стал первым битом, бит 7 - вторым и т.д.

В начале над ключом шифра выполняется операция B, которая сводится к выбору определенных бит и их перестановке, как это показано в таблицей 6. Причем, первые четыре строки определяют, как выбираются биты последовательности C(0) (первым битом C(0) будет бит 57 бит ключа шифра, затем бит 49 и т.д., а последними битами биты 44 и 36 ключа шифра), а следующие четыре строки - как выбираются биты последовательности D(0) (т.е. последовательность D(0) будем состоять из битов 63,55,...,12, 4 ключа шифра).