DES 深度解析：结构、原理与安全性全面剖析

Data Encryption Standard（DES）是现代密码学史上最重要的对称加密算法之一。尽管其密钥长度过短已不再安全，但其结构思想深刻影响了后续算法（如 3DES、AES）。

本文将从底层结构、密码学原理、密钥调度机制、S 盒构造原理以及攻击路径，全方位解析 DES。

目录

DES是什么？

DES 工作原理

DES 常用加密模式（Modes）

DES 的数学安全性分析

DES 的实际安全性：为什么被淘汰？

3DES（Triple DES）：DES 的延命与进化

最终替代者：AES

DES 中隐藏的密码学美学

示例代码和在线工具

常见问题和总结

1. DES是什么？

DES（Data Encryption Standard）数据加密标准 是一种早期的对称加密算法，由 IBM 设计并于 1977 年被美国 NIST（原美国国家标准局 NBS） 采纳为联邦标准。DES 曾经被广泛应用于政府、金融、电信等行业，但如今由于密钥长度太短已不再安全。DES 是 20 世纪的加密之王，今天已经彻底退休。

DES 的特点：

对称密钥 (Symmetric Key)：（加密与解密使用相同密钥）

分组密码 (Block Cipher)：每次处理 64 bit（8 字节）数据

密钥长度 56 bit（实际密钥是 64 bit，其中 8 位用于校验）

Feistel 结构： DES 的核心设计采用了 16轮Feistel 网络结构，这是一种非常灵活且安全的分组密码结构。

当前被认为不安全，已被 3DES / AES 取代

DES的基本参数：

属性

描述

分组大小

64 bit

密钥长度

56 bit（输入密钥 64 bit，8 bit 用作奇偶校验位）

结构

Feistel 网络（16 轮）

模式

支持 ECB、CBC、CFB、OFB 等模式

当前安全性

已不安全，可被暴力破解

DES的历史时间线：

年份

事件

结果

1977

成为美国联邦信息处理标准 FIPS 46

1980s

全球 ATM 机、银行卡、VPN 几乎全用 DES

1990s

UNIX 系统密码、PPTP VPN 都依赖 DES

1998

DES Cracker（$250,000 机器）56 小时破解

证明暴力可行

1999

distributed.net + EFF 22 小时破解 DES

彻底暴露 56 位太短

2005

3DES 仍安全，但 NIST 宣布 DES 停止使用

DES 正式退役

2008

公开演示 1 秒内暴力破解 56 位 DES（GPU）

玩具级别

2025

单台 RTX 4090 可以在 0.0001 秒内破解 DES

完全没有安全性

2. DES 工作原理

每轮做的事情如下：

把 64 位明文分成左右各 32 位（L₍ₙ₎ 和 R₍ₙ₎）

右半部分经过“f 函数 + 扩展 + S 盒 + P 盒”处理

和左半部分异或，再和右半部分交换位置

重复 16 次

最后一轮不交换，直接拼接成密文。

明文 64bit ──────────────────┐

├→ 16 轮加密 → 密文 64bit

密钥 56bit ─→ 子密钥生成 ──────┘

L₁₆ = R₁₅

R₁₆ = L₁₅ ⊕ f(R₁₅, K₁₆)

密文 = R₁₆ || L₁₆

举例：

明文： 0123456789ABCDEF

密钥： 133457799BBCDFF1

密文： 85E813540F0AB405 （加密后）

再解密： 0123456789ABCDEF （回到原文）

2.1. 设计思想：Feistel 网络的哲学

DES 采用 16 轮 Feistel 网络（Feistel Network）。Feistel 最大优势：

加密与解密结构相同（仅轮密钥顺序相反）

仅一部分数据经过非线性函数 F，提高效率

易于在硬件中实现高速加密（IBM 的原始需求）

Feistel 结构如下：

L[i] = R[i-1]

R[i] = L[i-1] ⊕ F(R[i-1], K[i])

只要 F 函数能提供足够非线性，全局就能实现高度扩散（Diffusion）与混淆（Confusion）。

2.2. DES 的核心：F 函数全剖析

F 函数是 DES 的灵魂，包含三个关键步骤：

1. E 扩展置换：从 32 位到 48 位

通过重复边界比特，将 32 位扩展为 48 位：

引入冗余，增强对输入变化的敏感度（扩散）

让密钥参与更多 bit 位异或

2. S 盒替换（Substitution Box）

DES 包含 8 个 S 盒，每个 S 盒输入 6 位，输出 4 位。

S 盒设计是 DES 最关键的安全来源，其数学特性包括：

每个输出 bit 是输入 bit 的复杂非线性 Boolean 函数

防止线性攻击与差分攻击

满足严格雪崩效应（Avalanche Effect）

S 盒设计背后的秘密：

NSA 参与了 S 盒调整，使其具备强抗差分攻击能力。

1977 年时差分攻击尚未公开，因此当时被误解为“后门”，直到 1990 年 Biham 和 Shamir 公开差分攻击，才证明 NSA 是在 悄悄增强 DES 的安全性。

3. P 置换（32 位）

P 置换的作用：

将 S 盒的非线性扩散到下一轮

让每个输出 bit 影响广泛的下轮输入

2.3. 密钥调度

DES 使用 64 位密钥（其中 8 位奇偶校验），实际有效密钥长度为 56 位。

密钥调度包括：

PC-1 置换（Parity Drop）：64 → 56 位

拆为 C0 和 D0 两个 28 位半密钥

每轮做 左循环移位（LS），移动步数取决于轮数

通过 PC-2 压缩至 48 位作为 K[i] 轮密钥

移动步数字典：

轮数

移动位数

1,2,9,16

1

其它

2

密钥调度的设计目标：

防止简单密钥结构（如全 0）导致弱加密

每轮密钥有蕴含复杂依赖，但非完全随机（效率与安全折衷）

3. DES 常用加密模式（Modes）

分组密码必须搭配模式使用：

模式

描述

是否安全

ECB

每块独立加密

否（明文结构可见）

CBC

链式加密，每块依赖上块

是，推荐

CFB

类似流加密，可变分组

是

OFB

流加密模式，不依赖明文

是

CTR

计数器模式，性能好

是（现代最推荐）

ECB 模式最大问题是：

同样的明文产生同样的密文

会暴露图像结构（著名的企鹅图示例）

4. DES 的数学安全性分析

4.1 密钥空间不足（核心问题）

DES 的实际安全性主要受限于：

2^56 ≈ 7.2 × 10^16 次尝试

现代硬件（FPGA/GPU/ASIC）数小时即可暴破。

现实案例

1998 年 EFF 使用专用硬件“Deep Crack”花费 22 万美元，可在 56 小时 暴力破解 DES。

今日仅需不到 1 小时。

4.2 差分攻击（Differential Cryptanalysis）

攻击者研究明文差分与密文差分之间的关系以推测密钥。

DES 设计上能抗差分攻击是因为 S 盒具有明确的抗差分特性（NSA 的贡献）。

需要的明文量：

≈ 2^47 个明文（理论）

远超现实可获得的数目。

4.3 线性攻击（Linear Cryptanalysis）

利用输入、输出与密钥之间的线性关系近似。

攻击复杂度：

≈ 2^43 个已知明文

仍然不现实。

4.4 中间相遇攻击对 3DES

DES 本身无法轻易被 MITM 攻击，但 3DES 可被降低到：

O(2^112) 理论复杂度（比暴力破解弱）

5. DES 的实际安全性：为什么被淘汰？

DES 最核心的安全问题是 56 位密钥太短。DES 密钥实际只有 56 bit，也就是大约 7.2 × 10^16 种组合。在 1998 年，EFF（电子前哨基金会）使用专用硬件在 56 小时内暴力破解 DES。现代 GPU / 分布式计算可以在 数分钟 ~ 数小时 内完成破解。因此，安全标准已淘汰 DES。NIST 在 2005 年明确宣布：停止使用 DES。

算法

有效密钥长度

安全性

DES

56 bit

不安全

3DES

112 bit

勉强安全

AES-128

128 bit

高度安全

6. 3DES（Triple DES）：DES 的延命与进化

由于 DES 的 56 位密钥空间无法抵御现代暴力破解，为了兼容老系统而不重新设计硬件架构，NIST 在 1998 年推出了 3DES（Triple DES） 作为过渡算法。

3DES 的核心思想很简单：

重复执行 DES 三次（加密→解密→加密），扩展有效密钥长度，提高安全性。

6.1 3DES 的三种模式

模式 1：EEE（Encrypt–Encrypt–Encrypt）——几乎不用

C = E(K1, E(K2, E(K3, M)))

使用 3 个独立密钥（K1, K2, K3）

安全性≈168 bit

但与 DES 不兼容，实际很少使用

模式 2：EDE（Encrypt–Decrypt–Encrypt）——主流标准

C = E(K1, D(K2, E(K1, M)))

特点：

中间使用解密是为了 兼容旧的单 DES 系统

当 K1 = K2 = K3 时，3DES 与 DES 完全兼容

大部分标准（如 TLS、IPSec）都选 EDE 模式

模式 3：两密钥 EDE（K1、K2）——银行系统主力

C = E(K1, D(K2, E(K1, M)))

第 3 个密钥使用与 K1 相同

有效安全性≈112 bit，而非 168 bit（受中间相遇攻击影响）

许多金融系统仍在使用

为什么？因为：

与 DES 硬件完全兼容

金融行业设备更新周期长（ATM、HSM、POS）

6.2 3DES 的安全性分析

密钥长度 vs 真正安全性

模式

标称密钥长度

实际安全性

原因

3-key 3DES

168 bit

~112 bit

MITM 攻击

2-key 3DES

112 bit

~80–112 bit

更弱

单 DES

56 bit

56 bit

已不可用

虽然 168 bit 听上去很强，但由于 中间相遇攻击（Meet-in-the-Middle），实际复杂度被大幅降低。

6.3 中间相遇攻击（MITM）对 3DES 的削弱

以 2-key EDE 为例：

C = E(K1, D(K2, E(K1, M)))

攻击者可以：

枚举所有 K1，计算 E(K1, M)，存储

枚举所有 K2，使 D(K2, C) 与步骤 1 匹配

攻击复杂度：

时间：2^112 → 2^56 + 2^56

存储：2^56

因此：

2-key 3DES 的有效安全性约等价于 112 bit，而非 168 bit。

对 3-key 3DES 也存在削弱，但仍远强于单 DES。

6.4 3DES 的结构优势与缺点

优势

兼容 DES，硬件成本极低

比 DES 安全性显著提升

经过几十年密码分析，结构稳定

缺点

速度慢（比 DES 慢 3 倍）

分组过小（64 bit）容易遭遇生日攻击

在高吞吐量网络中不适用

安全性仍不如 AES

6.5 NIST 对 3DES 的逐步淘汰计划

由于 3DES 存在以下问题：

分组 64 bit，导致 生日攻击的上限仅 2^32 blocks

实际安全性不足（112 bit）

性能差

NIST SP 800-131A 明确：

2024 年后 禁止使用 2-key 3DES

2030 年后 3DES 将完全退出 NIST 批准算法列表

浏览器（Chrome、Firefox）在 TLS 中已移除 3DES 支持。

6.6 3DES 在现代系统中的典型应用

尽管被淘汰，3DES 仍在某些领域使用：

1. 金融与支付行业（仍占主流）

ATM 交易数据

HSM（硬件安全模块）

EMV 卡支付（银行卡）

原因：

旧设备大量运行 DES/3DES

安全升级成本极高

系统高度稳定，不愿改动

2. 企业旧系统（兼容性要求）

许多上世纪末的设备固件仍内置 DES 流程。

3. 需要与老加密芯片兼容的系统

例如：

安全门禁卡

POS 终端

加密狗

6.7 3DES 与 AES：最终的交接与替代

特性

3DES

AES

设计结构

Feistel 网络

SPN 结构

分组长度

64 bit

128 bit

密钥长度

112/168 bit

128/192/256 bit

安全性

较弱

强、高性能

速度

慢

快（数倍）

标准地位

过渡方案

当前主流

NIST 在 2001 年正式宣布：

AES 完全替代 DES / 3DES。

7. 最终替代者：AES

尽管 3DES 提升了安全性，但由于其运行速度慢（需要执行 3 次 DES 运算）且块大小仍是 64 位，它的效率并不高。

在 2001 年，美国政府正式用 AES (Advanced Encryption Standard) 取代了 DES 和 3DES。AES 采用全新的 Rijndael 算法，密钥长度更长（128、192 或 256 位），分组大小为 128 位，运行速度更快，成为了当前对称加密的全球标准。

AES 完全放弃 Feistel 结构，采用:

128-bit 分组

更强的替换与扩散

128/192/256 位密钥

常见场景替代方案表

用途

推荐算法

理由

银行、金融系统

AES-256-GCM

国际标准，硬件加速支持

VPN、HTTPS

AES-256-GCM / ChaCha20

速度快、安全

磁盘加密

AES-256-XTS

BitLocker、LUKS 标准

嵌入式/物联网

ChaCha20-Poly1305

不依赖硬件 AES，抗侧信道更好

兼容老系统

3DES（仅过渡！）

比 DES 强，但也即将被禁用

8. DES 中隐藏的密码学美学

虽然 DES 已老旧，但其结构可带来启发：

8.1 Feistel 是优雅的

不需要可逆 S 盒，仍可构造可逆的整体加密过程。

8.2 S 盒是深度非线性设计的典范

抗差分攻击

抗线性攻击

强雪崩效应

8.3 密钥调度实现了“有序随机性”

每轮密钥可预测但非常复杂，便于硬件流水线。

9. 示例代码和在线工具

Python

from Crypto.Cipher import DES

import binascii

key = b'12345678' # 8字节

cipher = DES.new(key, DES.MODE_ECB)

data = b'hello123' # 必须8字节对齐

encrypted = cipher.encrypt(data)

print(binascii.hexlify(encrypted))

注意：不要在生产中使用 DES！

在线DES工具

在线DES加密工具：DES加密解密

在线3DES加密工具：3DES加密解密

10. 常见问题和总结

常见问题

Q1：3DES 是不是 DES 的加强版？还能用吗？

A：3DES = DES 加密 → DES 解密 → DES 加密（有效密钥 168 位），目前勉强安全，但极慢。NIST 2023 年底已禁止新系统使用 3DES，2030 年完全禁用。

Q2：我看到某些设备还在用 DES，是漏洞吗？

A：是的！属于高危漏洞，可直接被暴力破解，建议立刻升级。

Q3：DES 解密和加密一样吗？

A：是的！子密钥反序使用即可，加密解密共用同一算法（Feistel 结构特性）。

总结

虽然 DES 已退出主流，但其影响深远：

3DES 仍被银行与金融系统使用

Feistel 结构继续被 Blowfish、Twofish 等采用

对密码分析（差分、线性）的研究因 DES 而繁荣

DES 是密码学史上里程碑式的设计，它的每一部分都值得深入研究。