对称加密算法：DES（数据加密标准）

题目描述：
DES是一种对称密钥加密算法，使用56位密钥对64位明文分组进行加密，输出64位密文。其核心结构称为Feistel网络，包含初始置换（IP）、16轮迭代处理、最终置换（IP⁻¹）等步骤。每轮使用不同的48位子密钥（由56位主密钥生成）。试说明DES的一轮加密过程，并解释子密钥的生成机制。

解题过程：
1. 整体流程概览
DES加密流程分为三个阶段：

• 初始置换（IP）：将64位明文按固定规则重排。
• 16轮Feistel迭代：每轮使用不同的子密钥对数据分组进行处理。
• 最终置换（IP⁻¹）：对16轮后的结果进行逆操作，输出密文。

2. Feistel单轮加密细节
每轮将64位输入分为左半部分（Lₙ）和右半部分（Rₙ），各32位。第n轮运算为：

Lₙ = Rₙ₋₁  
Rₙ = Lₙ₋₁ ⊕ F(Rₙ₋₁, Kₙ)  

其中⊕表示异或操作，F为轮函数，Kₙ为第n轮子密钥。

3. 轮函数F的步骤

• 扩展置换（E盒）：将32位Rₙ₋₁扩展为48位，通过重复部分比特实现。
• 与子密钥异或：将扩展后的48位数据与子密钥Kₙ按位异或。
• S盒替换：将异或结果分为8个6位分组，每个分组输入一个S盒（替换表），输出4位，共得到32位。
• P盒置换：对S盒输出的32位按固定规则重排。

4. 子密钥生成过程

• 置换选择1（PC-1）：从64位主密钥中剔除8位奇偶校验位，剩余56位按置换表分为两个28位的C₀和D₀。
• 循环左移：每轮对Cₙ₋₁和Dₙ₋₁进行左移（第1、2、9、16轮移1位，其他轮移2位）。
• 置换选择2（PC-2）：将移位后的Cₙ和Dₙ组合为56位，通过PC-2置换压缩为48位子密钥Kₙ。

5. 解密特性
由于Feistel网络的结构对称性，解密过程与加密相同，仅需将子密钥顺序逆转（K₁₆→K₁）即可。

关键设计意义：

• S盒：提供非线性变换，是安全性的核心。
• P盒：实现雪崩效应，保证明文或密钥的微小变化导致密文巨大差异。
• 密钥调度：通过循环移位确保每轮子密钥不同，增强抗破解能力。