DES算法全解+C语言实现（加密和解密） |
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DES算法全解+C语言实现（加密和解密）
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如果想要更好阅读体验，可以进入我个人博客 DES算法全解 一、什么是DES算法 DES是(Data Encryption Standard）的缩写，为密码体制中的对称密码体制，又被称为美国数据加密标准。DES是一种分组密码。明文，密文，密钥的分组长度都是64位。DES是面向二进制的密码算法。因而能够加解密任何形式的计算机数据。DES是对合运算，因而加密和解密共用同一算法，从而使工程实现的工作量减半DES的密码结构属于Feistel结构 二、DES的加密过程 64位秘钥经子秘钥产生算法产生出16个子秘钥： K 1 , K 2 , . . . , K 16 K_1,K_2,...,K_{16} K1,K2,...,K16, 分别供第一次，第二次，… ，第十六次加密迭代使用。64位明文首先经过初始置换 I P （ I n i t i a l p e r m u t a t i o n ） IP（Initial\quad permutation） IP（Initialpermutation），将数据打乱重新排列并分成左右两半，左边32位构成 L 0 L_0 L0，右边32位构成 R 0 R_0 R0。由加密函数 f f f实现子密钥 K 1 K_1 K1对 R 0 R_0 R0的加密，结果为32位的数据组 f ( R 0 , K 1 ) f(R_0,K_1) f(R0,K1)。 f ( R 0 , K 1 ) f(R_0,K_1) f(R0,K1)再与 L 0 L_0 L0模2相加，又得到一个有32位的数据组 L 0 ⨁ f ( R 0 , K 1 ) L_0\bigoplus f(R_0,K_1) L0⨁f(R0,K1)。以 L 0 ⨁ f ( R 0 , K 1 ) L_0\bigoplus f(R_0,K_1) L0⨁f(R0,K1)作为第二次加密迭代的 R 1 R_1 R1，以 R 0 R_0 R0作为第二次加密迭代的 L 1 L_1 L1。至此，第一次加密迭代结束。第二次加密迭代至第十六次加密迭代分别用子密钥 K 2 ， . . . ， K 16 K_2，...，K_{16} K2，...，K16进行，其过程与第一次加密迭代相同。第十六次加密迭代结束后，产生一个64位的数据组。以其左边32位作为 L 16 L_{16} L16，以其右边32位作为 R 16 R_{16} R16，两者合并在经过逆初始置换** I P − 1 \color{red}{IP^{-1} } IP−1**，将数据重新排列，便得到64位密文。至此加密过程全部结束。 三、DES的算法细节下面我们详细的介绍算法细节。 1. 创建16个子秘钥，每个长48比特创建子密钥过程大致流程图如下： 
64位秘钥我们已经给出，现在依次介绍置换选择1，，置换选择2，循环左移。 置换选择1 64位秘钥分为8个字节，每个字节的前7位是真正的秘钥位，第8位是奇偶校验位。奇偶校验位可以从前7位秘钥位计算得出，不是随机的，因而不起秘钥的作用。奇偶校验位的作用在于可检测秘钥中是否有错误，确保秘钥的完整性，因此，DES真正的秘钥只有56位。 置换选择1的作用，一是从64位秘钥中去掉8个奇偶校验位，二是把其余56位秘钥位打乱重新排，且将前28位作为 C 0 C_0 C0，后28位作为 D 0 D_0 D0。 置换选择1规定： C 0 C_0 C0的各位依次为原秘钥中的第57，49，…，1，…，44，36位。 D 0 D_0 D0的各位依次为原秘钥中的第63，55，…，7，…，12，4位，具体矩阵如下： [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-U9koJNCD-1618738451125)(https://i.loli.net/2021/04/13/oDOfBns9UCNzHa4.jpg)] 例：秘钥为12345678 以ASCLL码的形式转化为二进制： 00110001 00110010 00110011 00110100 00110101 00110110 00110111 00111000那么，此秘钥置换选择1后的结果为： 置换选择1： 00000000 00000000 11111111 11110110 01100111 1001000 00001111C 0 C_0 C0 0000000000000000111111111111D 0 D_0 D0 0110011001111000100000001111 置换选择2 将 C i C_i Ci和 D i D_i Di合并成一个56位的中间数据，置换选择2从中选择出一个48位的子密钥 K i K_i Ki。置换选择2的矩阵如下图置换选择2规定子密钥 K i K_i Ki中的第1，2，…，48位依次是这个56位中间数据中的第14，17，…，5，3，…，29，32位。
循环左移：将密钥（除第一位）整体左移一位，将第一位移动至最后一位。循环左移位数表如下：
16轮子密钥生成结果如下： 2. 明文初始变换初始置换 I P IP IP是DES的第一步密码变换，初始置换的作用在于将64位明文打乱重排，并陈诚左右两半，左边32位作为 L 0 L_0 L0,右边32位作为 R 0 R_0 R0。供后面的加密迭代使用。初始置换 I P IP IP的矩阵如下：（道理同上） 
3. 加密函数
加密函数是DES的核心部分。它的作用是在第 i i i次加密迭代中用子密钥 K i K_i Ki对 R i − 1 R_{i-1} Ri−1进行加密。 在第 i i i次迭代加密中选择运算 E E E对32位的 R i − 1 R_{i-1} Ri−1的各位进行选择和排列，产生一个48位的结果，此结果与子密钥 K i K_i Ki模2相加，然后送入代替函数组 S S S。代替函数组由8个代替函数（也称S盒子）组成，每个S盒子有6位输入，产生4位的输出。8个S盒子的输出合并，结果得到一个32位的数据组。此数据组在经过置换运算P，将其各位打乱重排，置换运算P的输出便是加密函数的输出 f ( R i − 1 , K i ) f(R_{i-1},K_i) f(Ri−1,Ki)。 选择运算E对32位的数据组A的各位进行选择和排列，产生一个48位的结果。他是一种扩展运算，其矩阵如图：  代替函数组S由8个代替函数（也称S盒子）组成，8个S盒分别记为， S 1 , S 2 , . . . , S 8 S_1,S_2,...,S_8 S1,S2,...,S8。代替函数组的输入时一个48位的数据，从第一位到第48位依次加到8个S盒的输入端，每个S盒有一个代替矩阵，规定了其输出与输入的代替规则。代替矩阵有4行16列，每行都是0到15这16个数字，但每行的数字排列都不同，而且8个代替矩阵彼此也不同，每个S盒有6位输入，产生4位的输出。S盒运算的结果是用输出数据代替了输入数据，所以称其为代替函数。 **S盒的代替规则：**S盒的六位输入中，第一位和第六位组成二进制数并转化为十进制数代表选中的行号，其余四位组成二进制数并转化为十进制数代表选中的列号。那么被选中的那个数就是要输出的数（转化为二进制）。 以 S 1 S_1 S1为例，如果输入的是101011，第一位与第六位组成行号 1 1 ( 2 ) = 3 ( 10 ) 11_{(2)} = 3_{(10)} 11(2)=3(10) ，选中第三行，其余四位组成列号 010 1 ( 2 ) = 5 ( 10 ) 0101_{(2)} = 5_{(10)} 0101(2)=5(10)，选中第五列，交点数字是9，则 S 1 S_1 S1的输出是1001。 **置换运算 P P P：**置换运算吧S盒输出的32位数据打乱重排，得到32位的加密函数输出。用P置换来提供扩散，把S盒的混淆作用扩散开来。此时， R i − 1 R_{i-1} Ri−1变成 L i L_{i} Li， L i L_i Li再和置换运算P得出来的32位数据做 ⨁ \bigoplus ⨁运算，得到 R i R_i Ri。置换矩阵如图： **逆初始置换 I P − 1 IP^{-1} IP−1：**是初始置换的逆置换，它把第十六次加密迭代的结果打乱重排（这里 R 16 R_{16} R16与 L 16 L_{16} L16互换），形成64位密文。至此，加密过程完全结束。 
4. 解密过程
由于DES是对合运算，所以解密和加密可共用同一个运算，只是子密钥使用的顺序不同。把64位密文当做明文输入，而且第一次解密迭代是用子密钥 K 16 K_{16} K16，第十六次解密迭代使用子密钥 K 1 K_1 K1，最后的输出便是64位明文。 代码如下： // // main.cpp // DES算法 // // Created by CharlesYan on 2021/4/13. // #include #include #include using namespace std; //16-wheel secret key structural body struct Secret_Key{ int subKey[56] = {}; int C[28]; int D[28]; }Secret_KeyOf16[17];//save the 16-wheel sercet key,and the zero flag in order to save the first substitution selection. // save the process of encryption struct Encryption{ int select_Operation[48]; int secretKey_Operation[48]; int boxOf_S[32]; int L[32]; int R[32]; }Encryption_Pro[17]; int result_Secret[64] = {}; //substitution selection table 1(置换选择1) static int subSelect_table1[56] = { 57,49,41,33,25,17, 9, 1,58,50,42,34,26,18, 10, 2,59,51,43,35,27,19,11, 3,60,52,44,36, 63,55,47,39,31,23,15, 7,62,54,46,38,30,22, 14, 6,61,53,45,37,29,21,13, 5,28,20,12, 4 }; //substitution selection table 2(置换选择2) static int subSelect_table2[48]={ 14,17,11,24, 1, 5, 3,28,15, 6,21,10, 23,19,12, 4,26, 8,16, 7,27,20,13, 2, 41,52,31,37,47,55,30,40,51,45,33,48, 44,49,39,56,34,53,46,42,50,36,29,32 }; //Move left shift bits table(循环左移位数表) static int moveLeft_table[17] = {0,1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1}; //initial substitution IP static int init_subIP[64] = { 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 }; //selection operation E static int sel_E[48] = { 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 }; // Box of S 3D array static int BoxOf_S[8][4][16]={ //S1 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, //S2 15, 1, 8,14, 6,11, 3, 4, 9, 7, 2,13,12, 0, 5,10, 3,13, 4, 7,15, 2, 8,14,12, 0, 1,10, 6, 9,11, 5, 0,14, 7,11,10, 4,13, 1, 5, 8,12, 6, 9, 3, 2,15, 13, 8,10, 1, 3,15, 4, 2,11, 6, 7,12, 0, 5,14, 9, //S3 10, 0, 9,14, 6, 3,15, 5, 1,13,12, 7,11, 4, 2, 8, 13, 7, 0, 9, 3, 4, 6,10, 2, 8, 5,14,12,11,15, 1, 13, 6, 4, 9, 8,15, 3, 0,11, 1, 2,12, 5,10,14, 7, 1,10,13, 0, 6, 9, 8, 7, 4,15,14, 3,11, 5, 2,12, //S4 7,13,14, 3, 0, 6, 9,10, 1, 2, 8, 5,11,12, 4,15, 13, 8,11, 5, 6,15, 0, 3, 4, 7, 2,12, 1,10,14, 9, 10, 6, 9, 0,12,11, 7,13,15, 1, 3,14, 5, 2, 8, 4, 3,15, 0, 6,10, 1,13, 8, 9, 4, 5,11,12, 7, 2,14, //S5 2,12, 4, 1, 7,10,11, 6, 8, 5, 3,15,13, 0,14, 9, 14,11, 2,12, 4, 7,13, 1, 5, 0,15,10, 3, 9, 8, 6, 4, 2, 1,11,10,13, 7, 8,15, 9,12, 5, 6, 3, 0,14, 11, 8,12, 7, 1,14, 2,13, 6,15, 0, 9,10, 4, 5, 3, //S6 12, 1,10,15, 9, 2, 6, 8, 0,13, 3, 4,14, 7, 5,11, 10,15, 4, 2, 7,12, 9, 5, 6, 1,13,14, 0,11, 3, 8, 9,14,15, 5, 2, 8,12, 3, 7, 0, 4,10, 1,13,11, 6, 4, 3, 2,12, 9, 5,15,10,11,14, 1, 7, 6, 0, 8,13, //S7 4,11, 2,14,15, 0, 8,13, 3,12, 9, 7, 5,10, 6, 1, 13, 0,11, 7, 4, 9, 1,10,14, 3, 5,12, 2,15, 8, 6, 1, 4,11,13,12, 3, 7,14,10,15, 6, 8, 0, 5, 9, 2, 6,11,13, 8, 1, 4,10, 7, 9, 5, 0,15,14, 2, 3,12, //S8 13, 2, 8, 4, 6,15,11, 1,10, 9, 3,14, 5, 0,12, 7, 1,15,13, 8,10, 3, 7, 4,12, 5, 6,11, 0,14, 9, 2, 7,11, 4, 1, 9,12,14, 2, 0, 6,10,13,15, 3, 5, 8, 2, 1,14, 7, 4,10, 8,13,15,12, 9, 0, 3, 5, 6,11 }; //substitution IP static char P_Table[32]={ 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 }; const int IPR_Table[64]={ 40, 8,48,16,56,24,64,32,39, 7,47,15,55,23,63,31, 38, 6,46,14,54,22,62,30,37, 5,45,13,53,21,61,29, 36, 4,44,12,52,20,60,28,35, 3,43,11,51,19,59,27, 34, 2,42,10,50,18,58,26,33, 1,41, 9,49,17,57,25 }; //Convert an 8-byte key or plaintext to 64-bit binary int* ChangeToBit(char code[],int n); //Subfunction：change Byte to 8-bit binary int * Change_bit(int a); //create 16-wheel secret key and save them to Secret_KeyOf16 void set_16wheelKey(int *bit_SecretKey); //the first step of encryption,set R0, as we know, we will not need L0 later. void first_StepEncryption(int *bit_PlainText); //encryption, return the result of encryption void other_StepEncrtption(int flag); //Box of S operation void Box_operation(int *a,int n); // Box of S change byte to bit int * Change_bit_S(int a); //IPR_table operation void IPR_Operation(int result[]); void print(int flag); void Pri_ChangeToByte(int secretKey[]); int main() { char my_Plaintext[9] = {};//save plaintext and the last one is '\0' char my_SecretKey[9] = {};//save secretkey cout |
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