Java单DES算法详解

1. 前言

单DES（Data Encryption Standard）是一种较为简单的对称加密算法，由于其安全性较低，现已不再被广泛使用。本文将介绍单DES算法的原理、加密过程以及Java中的实现。

2. 单DES算法原理

单DES算法采用对称密钥系统，即加密和解密使用相同的密钥。其基本原理如下：

  1. 将明文（plaintext）按照8字节（64位）分组；
  2. 初始时，将64位明文分为左右两部分，每部分各32位；
  3. 将右部分作为下一轮的左部分；
  4. 经过一系列运算，产生一个32位的密文；
  5. 将左右两部分互换，进行下一轮加密；
  6. 经过16轮加密后，得到最终的64位密文。

单DES算法的关键在于各轮加密中的运算，主要包括初始置换、Feistel结构、逆初始置换等。

3. 单DES加密过程

下面是单DES加密的流程图：

graph TD
    A[输入明文] --> B[初始置换]
    B --> C[Feistel轮函数]
    C --> D[逆初始置换]
    D --> E[输出密文]

3.1 初始置换

初始置换是单DES加密算法的第一步，其目的是将明文按照特定的顺序重新排列，以提高加密效果。初始置换的具体过程如下：

  1. 将输入的64位明文按照以下顺序重新排列：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；
  2. 将上述重新排列后的64位明文分为两部分，每部分各32位。

初始置换示例代码如下：

public class DES {
    // 初始置换
    private static final int[] IP_TABLE = {
        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
    };

    public static void initialPermutation(byte[] block) {
        byte[] result = new byte[block.length];
        for (int i = 0; i < IP_TABLE.length; i++) {
            int index = IP_TABLE[i] - 1;
            int row = index / 8;
            int col = index % 8;
            int bitIndex = 7 - col;
            byte bitValue = (byte) ((block[row] >> bitIndex) & 0x01);
            result[i / 8] |= bitValue << (7 - (i % 8));
        }
        System.arraycopy(result, 0, block, 0, block.length);
    }
}

3.2 Feistel轮函数

Feistel轮函数是单DES算法中的核心，其作用是对初始置换后的64位明文进行一系列的运算，得到32位的密文。

Feistel轮函数的具体过程如下：

  1. 将32位明文分