DES란?
DES란 암호화 알고리즘 중 하나로, AES의 기반이 되는 Data Encryption Standard 보안 알고리즘이다.
특징은, substitution과 permutation을 반복하는 것이다. DES는 0과 1로 이루어진,비트 총 64비트를 16 round에 걸쳐서 변형시키는 방법을 사용한다.
DES Algorithm
16번의 라운드를 걸쳐서 64 bit를 조작하게 되는데, 각 라운드에서 진행되는 과정을 소개한다.
1. One round
- input key : 암호화하려는 키 -> 64 bit가 들어온다.
- left(L), right(R)로 32 bit씩 쪼개야한다. 아래의 그림은 0번 Round의 과정이다.
- f function : right(R) key와 48 bit로 들어오는 각 라운드마다 정해진 key값인 K를 사용하여 연산한다. -> 이때, R을 48 bit로 늘리는 과정이 필요한데, E-bit selection table을 사용해서 늘릴 수 있다. 아래의 과정이라고 이해하면 된다.
다음으로, substitution을 사용해서 변형하고 permutation을 사용해서 6비트씩 4비트로 변환하며 48비트를 32비트로 다시 변형한다. 그 과정이 아래의 그림이다.
- f function 결과(f(R, K))인 32 bit와 left(L)을 사용해서 XOR 연산을 실행한다.
- R(0) -> L(1) 그리고 L(0)과 R(0)을 연산한 결과를 R(1)로 조합한다.
2. One round 연산에 대한 code
java를 사용해서 라운드 하나에 대한 코드를 작성해보자!
이때, E-bit selection table과 substitution table은 DES 표준 문서를 보며 사용했다!
package 기타.des;
import java.io.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class DES {
private static final String INPUT_FILEPATH = "/Users/baeksujin/Desktop/JavaStudy/java_basic/src/기타/des/roundinput.txt";
private static final String KEY_FILEPATH = "/Users/baeksujin/Desktop/JavaStudy/java_basic/src/기타/des/roundkey.txt";
private static final String OUT_FILEPATH = "/Users/baeksujin/Desktop/JavaStudy/java_basic/src/기타/des/output.txt";
private static final int[] E_BIT_TABLE = {32, 1, 2,3,4,5,4,5,
6,7,8,9,8,9,10,11,
12,13,12,13,14,15,16,17,
16,17,18,19,20,21,20,21,
22,23,24,25,24,25,26,27,
28,29,28,29,30,31,32,1};
private static final int[][] SubstitutionTable = {
{
14,4,13,1,2,15,11,8,3,10,6,12,5,9,0,7
},
{
0,15,7,4,14,2,13,1,10,6,12,11,9,5,3,8
},
{
4,1,14,8,13,6,2,11,15,12,9,7,3,10,5,0
},
{
15,12,8,2,4,9,1,7,5,11,3,14,10,0,6,13
}
};
private static final int[] PermutationTable = {
16,7,20,21,29,12,28,17,1,15,23,26,5,18,31,10,2,8,24,14,32,27,3,9,19,13,30,6,22,11,4,25
};
private static List<String> getKeys(){
List<String> result = new ArrayList<>();
try {
// 파일을 읽기 위한 FileReader 객체 생성
FileReader inputFileReader = new FileReader(INPUT_FILEPATH);
FileReader keyFileReader = new FileReader(KEY_FILEPATH);
// BufferedReader를 사용하여 파일 내용을 읽어옴
BufferedReader inputBufferedReader = new BufferedReader(inputFileReader);
BufferedReader keyBufferedReader = new BufferedReader(keyFileReader);
String input, roundKey;
while ((input = inputBufferedReader.readLine()) != null) {
// 파일에서 한 줄씩 읽어서 처리
System.out.println("inputKey -> " + input);
result.add(input);
}
while ((roundKey = keyBufferedReader.readLine()) != null) {
// 파일에서 한 줄씩 읽어서 처리
System.out.println("roundKey -> " + roundKey);
result.add(roundKey);
}
// 파일과 스트림을 닫음
inputBufferedReader.close();
inputFileReader.close();
keyBufferedReader.close();
keyFileReader.close();
return result;
} catch (FileNotFoundException e) {
throw new RuntimeException(e);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
throw new RuntimeException(e);
}
}
private static String xorBinaryStrings(String s1, String s2){
String result = "";
for(int i=0; i<s1.length(); i++){
char s1Value = s1.charAt(i);
char s2Value = s2.charAt(i);
if(s1Value == s2Value){
result = result.concat("0");
}else{
result = result.concat("1");
}
}
System.out.println("xorBinaryStrings result -> " + result);
return result;
}
private static String convertTo48BitByUsingEBitTable(String right){
String result ="";
for(int i=0; i<48; i++){
int temp = E_BIT_TABLE[i];
result = result.concat(String.valueOf(right.charAt(temp-1)));
}
System.out.println("convertTo48BitByUsingEBitTable result -> " + result);
return result;
}
private static String substitution(String input){
String result ="";
for(int i=0; i<48; i= i+6){// 6개씩 8번 반복
String subBinary = input.substring(i, i+6);
String rowBinary = String.valueOf(subBinary.charAt(0)) + subBinary.charAt(5);
String columnBinary = subBinary.substring(1,5);
int row = Integer.parseInt(rowBinary, 2); // binary to decimal!
int column = Integer.parseInt(columnBinary, 2); // binary to decimal!
int substitutionTemp = SubstitutionTable[row][column];
// 4비트로 변경
String substitutionTempBinary = Integer.toBinaryString(substitutionTemp);
if (substitutionTempBinary.length() < 4) {
int leadingZeros = 4 - substitutionTempBinary.length();
for (int j = 0; j < leadingZeros; j++) {
substitutionTempBinary = "0" + substitutionTempBinary;
}
}
result = result.concat(substitutionTempBinary); // 4비트로 변경됨 (6비트가 4비트로 변경 -> 총 32비트로)// 4비트로 변경됨 (6비트가 4비트로 변경 -> 총 32비트로)
}
System.out.println("substitution result -> " + result);
return result;
}
private static String permutation(String input){
String result = "";
for(int i=0; i<32; i++){
result = result.concat(String.valueOf(input.charAt(PermutationTable[i]-1)));
}
System.out.println("permutation result -> " + result);
return result;
}
public static void main(String[] args) {
List<String> keys = DES.getKeys();
String input = keys.get(0);
String roundKey = keys.get(1);
// step 1. 분리
String left = input.substring(0,32);
String right = input.substring(32);
System.out.println("input key를 나눈 값 -> 왼쪽 : " + left + " 오른쪽 : " + right);
// step2. R (32 -> 48) by using E-bit-Table
String convertRightTo48Bit = DES.convertTo48BitByUsingEBitTable(right);
// step3. roundKey와 convertRightTo48Bit의 xor연산
String xorResultBit = DES.xorBinaryStrings(convertRightTo48Bit, roundKey);
// step4. substitution
String substitutionResultBit = DES.substitution(xorResultBit);
// step5. permutation
String permutationResultBit = DES.permutation(substitutionResultBit);
// step6. left와 permutationResultBit 의 xor연산
String changeRightBit = DES.xorBinaryStrings(left, permutationResultBit);
// final
String roundResult = right.concat(changeRightBit);
System.out.println(" ----- 0번째 round result -------> " + roundResult);
try {
BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new FileWriter(OUT_FILEPATH));
writer.write(roundResult);
writer.close();
System.out.println("데이터가 " + OUT_FILEPATH + " 파일에 성공적으로 쓰였습니다.");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
System.err.println("파일에 쓰기 실패: " + e.getMessage());
}
}
}
