home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Group 42-Sells Out! - The Information Archive / Group 42 Sells Out (Group 42) (1996).iso / crypto / des.txt < prev    next >
Text File  |  1995-11-16  |  11KB  |  280 lines

  1.  
  2.  
  3.                           How to implement the
  4.                      Data Encryption Standard (DES)
  5.                            (Matthew Fischer)
  6.  
  7.                         A step by step tutorial
  8.                               Version 1.2
  9.  
  10.  
  11. The Data Encryption Standard (DES) algorithm, adopted by the U.S. 
  12. government in 1977, is a block cipher that transforms 64-bit data blocks 
  13. under a 56-bit secret key, by means of permutation and substitution. It 
  14. is officially described in FIPS PUB 46. The DES algorithm is used for 
  15. many applications within the government and in the private sector.
  16.  
  17. This is a tutorial designed to be clear and compact, and to provide a
  18. newcomer to the DES with all the necessary information to implement it
  19. himself, without having to track down printed works or wade through C 
  20. source code. I welcome any comments.
  21.  
  22.         Matthew Fischer <mfischer@heinous.isca.uiowa.edu>
  23.  
  24.  
  25. Here's how to do it, step by step:
  26.  
  27.  1  Process the key.
  28.  
  29.  1.1  Get a 64-bit key from the user. (Every 8th bit is considered a 
  30. parity bit. For a key to have correct parity, each byte should contain 
  31. an odd number of "1" bits.)
  32.  
  33.  1.2  Calculate the key schedule.
  34.  
  35.  1.2.1  Perform the following permutation on the 64-bit key. (The parity 
  36. bits are discarded, reducing the key to 56 bits. Bit 1 of the permuted 
  37. block is bit 57 of the original key, bit 2 is bit 49, and so on with bit 
  38. 56 being bit 4 of the original key.)
  39.  
  40.                         Permuted Choice 1 (PC-1)
  41.  
  42.                           57 49 41 33 25 17  9
  43.                            1 58 50 42 34 26 18
  44.                           10  2 59 51 43 35 27
  45.                           19 11  3 60 52 44 36
  46.                           63 55 47 39 31 23 15
  47.                            7 62 54 46 38 30 22
  48.                           14  6 61 53 45 37 29
  49.                           21 13  5 28 20 12  4
  50.  
  51.  1.2.2  Split the permuted key into two halves. The first 28 bits are 
  52. called C[0] and the last 28 bits are called D[0].
  53.  
  54.  1.2.3  Calculate the 16 subkeys. Start with i = 1.
  55.  
  56.  1.2.3.1  Perform one or two circular left shifts on both C[i-1] and 
  57. D[i-1] to get C[i] and D[i], respectively. The number of shifts per 
  58. iteration are given in the table below.
  59.  
  60.     Iteration #   1  2  3  4  5  6  7  8  9 10 11 12 13 14 15 16
  61.     Left Shifts   1  1  2  2  2  2  2  2  1  2  2  2  2  2  2  1
  62.  
  63.  1.2.3.2  Permute the concatenation C[i]D[i] as indicated below. This 
  64. will yield K[i], which is 48 bits long.
  65.  
  66.                         Permuted Choice 2 (PC-2)
  67.  
  68.                            14 17 11 24  1  5
  69.                             3 28 15  6 21 10
  70.                            23 19 12  4 26  8
  71.                            16  7 27 20 13  2
  72.                            41 52 31 37 47 55
  73.                            30 40 51 45 33 48
  74.                            44 49 39 56 34 53
  75.                            46 42 50 36 29 32
  76.  
  77.  1.2.3.3  Loop back to 1.2.3.1 until K[16] has been calculated.
  78.  
  79.  2  Process a 64-bit data block.
  80.  
  81.  2.1  Get a 64-bit data block. If the block is shorter than 64 bits, it 
  82. should be padded as appropriate for the application.
  83.  
  84.  2.2  Perform the following permutation on the data block.
  85.  
  86.                         Initial Permutation (IP)
  87.  
  88.                         58 50 42 34 26 18 10  2
  89.                         60 52 44 36 28 20 12  4
  90.                         62 54 46 38 30 22 14  6
  91.                         64 56 48 40 32 24 16  8
  92.                         57 49 41 33 25 17  9  1
  93.                         59 51 43 35 27 19 11  3
  94.                         61 53 45 37 29 21 13  5
  95.                         63 55 47 39 31 23 15  7
  96.  
  97.  2.3  Split the block into two halves. The first 32 bits are called L[0], 
  98. and the last 32 bits are called R[0].
  99.  
  100.  2.4  Apply the 16 subkeys to the data block. Start with i = 1.
  101.  
  102.  2.4.1  Expand the 32-bit R[i-1] into 48 bits according to the 
  103. bit-selection function below.
  104.  
  105.                              Expansion (E)
  106.  
  107.                            32  1  2  3  4  5
  108.                             4  5  6  7  8  9
  109.                             8  9 10 11 12 13
  110.                            12 13 14 15 16 17
  111.                            16 17 18 19 20 21
  112.                            20 21 22 23 24 25
  113.                            24 25 26 27 28 29
  114.                            28 29 30 31 32  1
  115.  
  116.  2.4.2  Exclusive-or E(R[i-1]) with K[i].
  117.  
  118.  2.4.3  Break E(R[i-1]) xor K[i] into eight 6-bit blocks. Bits 1-6 are 
  119. B[1], bits 7-12 are B[2], and so on with bits 43-48 being B[8].
  120.  
  121.  2.4.4  Substitute the values found in the S-boxes for all B[j]. Start 
  122. with j = 1. All values in the S-boxes should be considered 4 bits wide.
  123.  
  124.  2.4.4.1  Take the 1st and 6th bits of B[j] together as a 2-bit value  
  125. (call it m) indicating the row in S[j] to look in for the substitution.
  126.  
  127.  2.4.4.2  Take the 2nd through 5th bits of B[j] together as a 4-bit
  128. value (call it n) indicating the column in S[j] to find the substitution.
  129.  
  130.  2.4.4.3  Replace B[j] with S[j][m][n].
  131.  
  132.                        Substitution Box 1 (S[1])
  133.  
  134.             14  4 13  1  2 15 11  8  3 10  6 12  5  9  0  7
  135.              0 15  7  4 14  2 13  1 10  6 12 11  9  5  3  8
  136.              4  1 14  8 13  6  2 11 15 12  9  7  3 10  5  0
  137.             15 12  8  2  4  9  1  7  5 11  3 14 10  0  6 13
  138.  
  139.                                   S[2]
  140.  
  141.             15  1  8 14  6 11  3  4  9  7  2 13 12  0  5 10
  142.              3 13  4  7 15  2  8 14 12  0  1 10  6  9 11  5
  143.              0 14  7 11 10  4 13  1  5  8 12  6  9  3  2 15
  144.             13  8 10  1  3 15  4  2 11  6  7 12  0  5 14  9
  145.  
  146.                                   S[3]
  147.  
  148.             10  0  9 14  6  3 15  5  1 13 12  7 11  4  2  8
  149.             13  7  0  9  3  4  6 10  2  8  5 14 12 11 15  1
  150.             13  6  4  9  8 15  3  0 11  1  2 12  5 10 14  7
  151.              1 10 13  0  6  9  8  7  4 15 14  3 11  5  2 12
  152.  
  153.                                   S[4]
  154.  
  155.              7 13 14  3  0  6  9 10  1  2  8  5 11 12  4 15
  156.             13  8 11  5  6 15  0  3  4  7  2 12  1 10 14  9
  157.             10  6  9  0 12 11  7 13 15  1  3 14  5  2  8  4
  158.              3 15  0  6 10  1 13  8  9  4  5 11 12  7  2 14
  159.  
  160.                                   S[5]
  161.  
  162.              2 12  4  1  7 10 11  6  8  5  3 15 13  0 14  9
  163.             14 11  2 12  4  7 13  1  5  0 15 10  3  9  8  6
  164.              4  2  1 11 10 13  7  8 15  9 12  5  6  3  0 14
  165.             11  8 12  7  1 14  2 13  6 15  0  9 10  4  5  3
  166.  
  167.                                   S[6]
  168.  
  169.             12  1 10 15  9  2  6  8  0 13  3  4 14  7  5 11
  170.             10 15  4  2  7 12  9  5  6  1 13 14  0 11  3  8
  171.              9 14 15  5  2  8 12  3  7  0  4 10  1 13 11  6
  172.              4  3  2 12  9  5 15 10 11 14  1  7  6  0  8 13
  173.  
  174.                                   S[7]
  175.  
  176.              4 11  2 14 15  0  8 13  3 12  9  7  5 10  6  1
  177.             13  0 11  7  4  9  1 10 14  3  5 12  2 15  8  6
  178.              1  4 11 13 12  3  7 14 10 15  6  8  0  5  9  2
  179.              6 11 13  8  1  4 10  7  9  5  0 15 14  2  3 12
  180.  
  181.                                   S[8]
  182.  
  183.             13  2  8  4  6 15 11  1 10  9  3 14  5  0 12  7
  184.              1 15 13  8 10  3  7  4 12  5  6 11  0 14  9  2
  185.              7 11  4  1  9 12 14  2  0  6 10 13 15  3  5  8
  186.              2  1 14  7  4 10  8 13 15 12  9  0  3  5  6 11
  187.  
  188.  2.4.4.4  Loop back to 2.4.4.1 until all 8 blocks have been replaced.
  189.  
  190.  2.4.5  Permute the concatenation of B[1] through B[8] as indicated below.
  191.  
  192.                              Permutation P
  193.  
  194.                               16  7 20 21
  195.                               29 12 28 17
  196.                                1 15 23 26
  197.                                5 18 31 10
  198.                                2  8 24 14
  199.                               32 27  3  9
  200.                               19 13 30  6
  201.                               22 11  4 25
  202.  
  203.  2.4.6  Exclusive-or the resulting value with L[i-1]. Thus, all together, 
  204. your R[i] = L[i-1] xor P(S[1](B[1])...S[8](B[8])), where B[j] is a 6-bit  
  205. block of E(R[i-1]) xor K[i]. (The function for R[i] is written as, R[i] = 
  206. L[i-1] xor f(R[i-1], K[i]).)
  207.  
  208.  2.4.7  L[i] = R[i-1].
  209.  
  210.  2.4.8  Loop back to 2.4.1 until K[16] has been applied.
  211.  
  212.  2.5  Perform the following permutation on the block R[16]L[16].
  213.  
  214.                        Final Permutation (IP**-1)
  215.  
  216.                         40  8 48 16 56 24 64 32
  217.                         39  7 47 15 55 23 63 31
  218.                         38  6 46 14 54 22 62 30
  219.                         37  5 45 13 53 21 61 29
  220.                         36  4 44 12 52 20 60 28
  221.                         35  3 43 11 51 19 59 27
  222.                         34  2 42 10 50 18 58 26
  223.                         33  1 41  9 49 17 57 25
  224.  
  225.  
  226. This has been a description of how to use the DES algorithm to encrypt 
  227. one 64-bit block. To decrypt, use the same process, but just use the keys 
  228. K[i] in reverse order. That is, instead of applying K[1] for the first 
  229. iteration, apply K[16], and then K[15] for the second, on down to K[1].
  230.  
  231. Summaries:
  232.  
  233.  Key schedule:
  234.   C[0]D[0] = PC1(key)
  235.   for 1 <= i <= 16
  236.    C[i] = LS[i](C[i-1])
  237.    D[i] = LS[i](D[i-1])
  238.    K[i] = PC2(C[i]D[i])
  239.  
  240.  Encipherment:
  241.   L[0]R[0] = IP(plain block)
  242.   for 1 <= i <= 16
  243.    L[i] = R[i-1]
  244.    R[i] = L[i-1] xor f(R[i-1], K[i])
  245.   cipher block = FP(R[16]L[16])
  246.  
  247.  Decipherment:
  248.   R[16]L[16] = IP(cipher block)
  249.   for 1 <= i <= 16
  250.    R[i-1] = L[i]
  251.    L[i-1] = R[i] xor f(L[i], K[i])
  252.   plain block = FP(L[0]R[0])
  253.  
  254.  
  255. To encrypt or decrypt more than 64 bits there are four official modes 
  256. (defined in FIPS PUB 81). One is to go through the above-described 
  257. process for each block in succession. This is called Electronic Codebook 
  258. (ECB) mode. A stronger method is to exclusive-or each plaintext block 
  259. with the preceding ciphertext block prior to encryption. (The first 
  260. block is exclusive-or'ed with a secret 64-bit initialization vector 
  261. (IV).) This is called Cipher Block Chaining (CBC) mode. The other two 
  262. modes are Output Feedback (OFB) and Cipher Feedback (CFB).
  263.  
  264. When it comes to padding the data block, there are several options. One 
  265. is to simply append zeros. Two suggested by FIPS PUB 81 are, if the data 
  266. is binary data, fill up the block with bits that are the opposite of the 
  267. last bit of data, or, if the data is ASCII data, fill up the block with 
  268. random bytes and put the ASCII character for the number of pad bytes in 
  269. the last byte of the block. Another technique is to pad the block with 
  270. random bytes and in the last 3 bits store the original number of data bytes.
  271.  
  272. The DES algorithm can also be used to calculate checksums up to 64 bits 
  273. long (see FIPS PUB 113). If the number of data bits to be checksummed is 
  274. not a multiple of 64, the last data block should be padded with zeros. If 
  275. the data is ASCII data, the first bit of each byte should be set to 0. 
  276. The data is then encrypted in CBC mode with IV = 0. The leftmost n bits 
  277. (where 16 <= n <= 64, and n is a multiple of 8) of the final ciphertext 
  278. block are an n-bit checksum.
  279.  
  280.