在密码学中，什么是扩展排列？

密码学在当今的信息技术领域中非常重要，尤其是在信息传输方面。现代密码学中有许多不同的技术，其中被广泛采用的一种技术是扩展置换法。这种技术被广泛应用于各种分组密码模型中，比如DES模型。

本文详细介绍了什么是扩展置换，以及它为何如此重要。同时，文章还阐述了扩展置换的原理，以及它在实现安全数据加密方面所起的作用。

什么是扩展排列？

扩展置换是一种应用于某些加密算法中的过程，其目的是将数据块的扇区大小从较小的数值增大到较大的数值。该过程主要用于提高系统的可靠性，因为通过这种方式，数据可以通过加密函数进行处理。在DES算法中，扩展置换的作用是将32位的数据块扩展为48位的数据块，然后再对数据进行其他加密操作。

关键术语

在深入讨论扩展排列之前，有必要先了解一些相关的术语：

• 密码学：这是一种保护信息的方法，通过将信息以某种难以被截获的方式编码，从而确保信息在双方之间传递时不会被窃取。这种技术属于一种实践与艺术，其目的在于保护信息的安全。
• 块密码：这是一种对称密钥加密算法，其工作原理是将数据以固定大小的块进行加密。这种算法也被用于数据加密标准中。
• 数据加密标准（DES）：这是一种常用的对称密钥块密码算法，它以64位的数据块为单位来处理数据，而密钥则包含56位的信息。
• 排列：所谓“转换”，指的是那些按照某种顺序或序列排列在一起的元素被重新定位的过程。
• 扩展：将数据的大小或包含的单位数量进行扩大处理的行为。
• 轮次：一轮加密过程就是一次加密周期。这一过程中包含了替换、排列以及混合等步骤。

RPT扩展排列表

32

1

2

3

4

5

4

5

6

7

8

9

8

16

24

在DES算法中，扩展置换的作用

在DES算法中，一个64位的数据块会被处理16次，这相当于16个“轮次”。每个轮次中都会涉及到一些步骤，其中就包括扩展排列操作。下面详细介绍一下扩展排列在DES算法中的作用。

• 初始排列（IP）：这一步骤涉及将64位明文数据按照特定的顺序排列。
• 分割该区块：经过排列后的数据块被划分为两个32位的半部分，分别称为左半部分（L）和右半部分（R）。
• 扩展排列：为了利用第一次输入相加步骤所带来的差异，32位的右半部分会被扩展为48位，这一过程是通过扩展排列表来实现的。
• 关键混音环节：因此，原本的块大小为56位，现在被扩展为48位。在这48位中，包含了从原始密钥中派生出来的子密钥的48位数据，这些子密钥是通过异或运算得到的。
• 替代：8位表示的結果为XOR它被划分为八个6位的块，而这些块又会被替换成其他内容。S盒从而得到8个4位的数据块。
• 排列（P-box）：接下来，这32位排列后的数据会被进行P-box替换操作。
• 费斯特尔函数：经过排列后的块与上一轮中的左半部分进行异或运算，从而得到右半部分。
• 交换：在后续的迭代过程中，列表的左右两半将会被交换位置。

扩展排列步骤确保了数据块中的右侧部分能够正确地与子密钥结合在一起。这样做可以进一步提升加密方式的安全性。

扩展排列是如何工作的呢？

在DES算法中，扩展置换过程是通过使用表格来将32位的输出块扩展到48位。该表格展示了如何从32位的输入块得到48位的输出块，具体方法是重复并重新排列下面列出的比特位。DES的扩展置换表如下所示：

32位输入：E R 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
48位输出结果：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

以下是32位数据块如何扩展为48位的示意图：

在这个表格中：

• 这些比特组会按照定义的循环进行重复和重新组织。
• 最初，在48种不同的输出中，第一个比特位是通过对32种不同输入的32位来检测的。
• 在加密过程中得到的48位数据中，后边的8位就是原本32位数据中的前8位。以此类推。

这个扩展功能使得某些数据与其他数据重复，从而让数据更不容易受到密码攻击的威胁。