DES加密实现（翻译自书籍《Wiley.Implementing.SSL.TLS.Using.Cryptography.and.PKI》）

理解BlockCipher加密算法

• 凯撒大帝被认为是最古老的对称加密算法。所谓的凯撒加密法（你也许可以从报纸上找到一个作为消遣来玩），它随机的给每一个字母分配一个数字。在这个简单的算法当中，字母到数字的映射就是key。现代加密算法比凯撒算法肯定复杂的多，以便抵御来自计算机的攻击。尽管基本原理是一样，替换一个字母或其它什么东西为另外一个字母或其它什么东西，后续都对替换后的东西进行处理，在几个世纪以来，更多的混淆和扩散（confusion and diffusion）要素被加入，从而创建了现代加密算法。一个很重要的技术就是同时操作一组字符，而不是一个。现在用的最多的对称加密算法类别就是块加密算法，它对固定数目的字节进行操作，而不是一个字符。
• 在这一部分我们来考察3种最流行的块加密算法，也是我们在工作中最可能碰到的现代加密算法。这些算法也许会在未来几十年还有意义，要修改加密标准，那个过程是非常非常慢的；需要密码专家进行大量的研究和分析。

实现DES加密算法

• DES是Data Encryption Standard（数据加密标准）的简称，它是1974年，在NSA的要求下，由IBM实现和提出的；它也是第一个可以公开获取的针对计算机的加密算法。尽管在后文你看可以看到，DES不再认为是足够安全的，但是它还在被广泛地使用着。并且它也是学习对称加密算法的好入口。DES中的绝大多数概念都会在其它加密算法中出现。
• DES将输入分成8字节的块，然后使用一个8字节的key来混淆它们。这个混淆的过程有一系列的固定置换（将第34位和28位互换，28位和17位互换等等）、轮换以及XORs。尽管DES的核心（也就是DES为什么是安全的）是因为S boxes的操作，经过它输入的每6个bit，都会固定地4bit的输出；但是这个过程是不可逆的（除非有key）。
• 和任何现代对称加密算法一样，DES也非常依赖于XOR操作。【异或操作介绍略】

• 异或一个非常有趣的属性就是它是可逆的，比如：

                    

• 在实现DES的时候，我们一般操作的是字节数组，以便充分利用硬件对整数操作的优势。传统上，DES是使用大端来描述的，但是x86等架构都是小端的；为了充分利用硬件性能，我们需要对规范中的一些部分进行反转，不过在这里，我们不需要这么做 
• 作为一个替代方案，我们操作byte数组。因为我们需要操作位，比如：得到64bit中的第39个bit的值；因此我们需要一些宏的支持，从而可以方便的对字节数组进行bit查找和操作。bit操作的宏如下所示：

  // This does not returna 1 for a 1 bit; it just returns non-zero

     #define GET_BIT( array, bit ) \

                ( array[( int ) ( bit /8 ) ] & ( 0x80 >> (bit % 8 ) ) )

     #define SET_BIT( array, bit ) \

                ( array[( int ) ( bit /8 ) ] |= ( 0x80 >> (bit % 8 ) ) )

     #define CLEAR_BIT( array, bit ) \

                ( array[( int ) ( bit /8 ) ] &= ~( 0x80>> ( bit % 8 ) ) )

• 因为这个例子是对字节数组求异或的，所以需要一个方法来支持异或操作。

       static void xor( unsignedchar *target, constunsigned char *src, int len )

       {

             while ( len-- )

            {

                   *target++^= *src++;

            }

      } 

• 最后我们还需要一个置换（permute）函数，这个函数根据 permute_table数组对输入进行bit置换，比如：输入的第57bit放到输出的第14bit。正如你下面会看到的，这个函数是DES算法调用最频繁的地方；它被调用了10多次（使用不同的置换表permute_table)

/**

* Implement the initialand final permutation functions. permute_table

* and target must haveexactly len and len * 8 number of entries,

* respectively, but srccan be shorter (expansion function depends on this).

* NOTE: this assumesthat the permutation tables are defined as one-based

* rather than 0-basedarrays, since they’re given that way in the

* specification.

*/

static void permute( unsignedchar target[],

        const unsigned char src[],

        const int permute_table[],

        int len )

{

        int i;

        for ( i = 0; i <len * 8; i++ )

        {

                if ( GET_BIT( src,( permute_table[ i ]- 1 ) ) )

                {

                        SET_BIT(target, i );

                }

                else

                {

                        CLEAR_BIT( target, i );

                }

        }

}

DES初始置换

• DES规范中要求对输入进行一个初始置换。这个置换的目的是什么还不是很清楚，因为它没有任何加密的效果（置换后的安全效果和置换前是一样的）。加入这个置换的目的，也许是为了对某些硬件类型进行优化。尽管如此，如果你不进行这个操作，你的DES加密结果将会是错误的，也不能够和其它实现进行交互。
• 在规范中，对这个置换的描述使用术语：input bits和output bits。它的操作如下：将input最后一个字节的第2个bit拷贝到output第一个字节的第一个bit；然后将input倒数第二个字节的第2个bit拷贝到output第一个字节的第2个bit等等。因此，output的第一个字节是由input左右字节中的第2个bit组成的（反向的）。output的第2个字节是input每个字节的第4个bit组成的（也是反向的）。output的第3个字节是input每个字节的第6个bit组成的，output的第4个字节由input每个字节的第8个bit组成，output的第5个字节由input每个字节的第1个字节组成，等等。
• 故给定8个字节作为输入，操作的结果如下：

• 实现这个置换可以使用前面的置换（permute）函数，其中permute_table如下：（注意：DES认为字节序是大端的）

比如：第一个字节是由原字节数组中，每个字节的第2个bit组成。

      

原字节数组位数的大小，从左到有为：1到64，上图字节数组中标识为1的为58，2为50等等

static const int ip_table[] = {

        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 };

• 在输入被置换之后， 它又被用key进行了16轮的操作组合，每一轮做的操作如下：
  • 扩展输入的第32到第64位到48bits（下面会进行描述）
  • 将扩展后的右边部分和key做XOR
  • 使用上面的输出，查询8个s-box表，并使用这些内容来覆盖输入
  • 根据特定的p表来对输出进行置换
  • 将输出和输入的左边部分（1~32）做XOR，然后对左右部分交换；在下一轮，相同的操作被执行，但是左右部分被调换了

        

• 最终，前后部分做最后一次交换，然后对输出做初始置换的反操作，也就抵消了初始置换。

/**

* This just invertsip_table.

*/

static const int fp_table[] = { 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 }

上面是最后使用的置换表。

DES Key Schedule

• 在算法描述的第2步中，“将扩展后的右边部分和key做XOR”。如果我们看了图，就会发现，图中的key，分别标记为K1，K2、K3…K15、K16. 也就是说有16个不同的48bit的key，他们都是通过原始的64bit的key产生的。
• key经过的初始之后和输入的初始置换很类似，但是还是有点不同，输出的第一个字节是由输入的每个字节的第一个bit组成的，输出的第二个字节是由输入的每个字节的第2个bit组成的，等等。
• 但是key本身使用2个28-bit部分来组成；第2个部分的第一个字节由输入的每个字节的第7个bit组成，第2个字节由输入的每个字节的第6个bit组成等等。由于key的一半是28bit（3个字节加上4个bit），最后的4个bit也是这个规则生成的，但是只对前4个bit这么做。最终，虽然输入的key为8个字节，输出的key只有2个28bit部分，也就是56bit。其余8个bit（每个字节的第8bit）没有被DES使用。

上面的操作可以使用下面的置换表来完成：

static const int pc1_table[] = { 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 };

• 在上述算法中的每一轮中，56-bit的key的每个28bit部分，会被向左轮换1或2次，1次是在第1，2，9，16轮中，其它轮次2次。这些轮换后的部分会使用下面的置换表进行置换：

static const int pc2_table[] = { 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 };

• 这个置换可以从轮换后的56bit key中产生48bit的subkey。因为做了轮换，所以算法的每一轮都有一个唯一key，K1、K2、K3.。。。K16。这些subkeys被称为key schedule。
• 注意到key schedule和加密操作是独立的，能够预先计算好，在加密或解密之前存储起来。绝大多数的DES实现为了提升性能都是这么做的。
• 56bit key的左轮换的代码如下：

/**

* Perform the leftrotation operation on the key. This is made fairly

* complex by the factthat the key is split into two 28-bit halves, each

* of which has to berotated independently (so the second rotation operation

* starts in the middleof byte 3).

*/

static void rol( unsigned char *target )

{

        intcarry_left, carry_right;

        carry_left= ( target[ 0 ] & 0x80 ) >> 3;

        target[ 0 ] =( target[ 0 ]<< 1 ) | (( target[ 1 ]& 0x80 ) >> 7 );

        target[ 1 ] =( target[ 1 ]<< 1 ) | (( target[ 2 ]& 0x80 ) >> 7 );

        target[ 2 ] =( target[ 2 ]<< 1 ) | (( target[ 3 ]& 0x80 ) >> 7 );

        // special handling forbyte 3

        carry_right= ( target[ 3 ] & 0x08 ) >> 3;

        target[ 3 ] =( ( ( target[ 3 ]<< 1 ) | (( target[ 4 ]& 0x80 ) >> 7 ) ) &~0x10 ) | carry_left;

        target[ 4 ] =( target[ 4 ]<< 1 ) | (( target[ 5 ]& 0x80 ) >> 7 );

        target[ 5 ] =( target[ 5 ]<< 1 ) | (( target[ 6 ]& 0x80 ) >> 7 );

        target[ 6 ] =( target[ 6 ]<< 1 ) | carry_right;

}

通过上面我们可以看到，key的每个字节（在一个7字节数组中）都被左移一位。下一个字节的MSB是LSB；复杂的地方在于key是一个7字节数组，但是这7字节数组分割在第3个字节的中间。

DES Expansion Function

• 注意到前面提到的subkey是48bit长的，但是输入的一半是（L0或R0）32bit的。当前，我们不能够很好的将32bit的输入和48bit的key进行XORs操作。因此，为了和48bit的key进行XOR操作，输入需要进行扩充（对一些bit进行复制）。扩充的输出见下图：

输出被分成8个6bit的块（也就是6个字节），每个块的前两个和后两个bit在前一个块和后一个块是重叠的。同时第一个块和最后一个块是循环重叠，使用输入的最后一个bit作为第一个块的第一个bit，使用输入的第一个bit作为最后一个块的最后一个bit。当然，这些操作也可以使用置换表来进行，表的结构如下：

static const intexpansion_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 };

• 在每一轮中，输入的字节在和subkey进行XOR之后，结果被送入s-box进行查询。s-boxes是DES安全的关键所在。它的一个特性非常重要：输出和输入不是线性关系，否则的话，一个简单的统计分析就可以把key解密出来。比如：攻击者知道字母E是英语中出现频率最多的字符（如果他也知道文件是按照ASCII进行编码的），它可以对输出的字节进行频率统计，找到出现最频繁的，然后假定它就是E，然后进行反推（事实上，在ASCII编码的英文文档，出现最多的是空格，字符编码为32）。如果错了，他就对出现频率第二多的字符进行重试。这类密码分析，使用计算机的话只需要几秒钟就可以完成。因此，s-boxes不是置换表、轮换或XORs，而是由多个完全随机的表组成的。
• 输入的每6bit对应表中的4bit输出（expanded之后的右半部分和sub key进行XOR）。也就是说，每个6bit的输入作为索引去s-boxes去找对应的值。在DES规范中，s-boxes的描述很模糊。我们在这里使用更简洁，便于查询的方式来展示他们。注意：每6个bit都有它们自己的唯一sbox。

static const int sbox[8][64] = {

{ 14, 0, 4, 15, 13, 7, 1, 4, 2, 14, 15, 2, 11, 13, 8, 1,

3, 10, 10, 6, 6, 12, 12, 11, 5, 9, 9, 5, 0, 3, 7, 8,

4, 15, 1, 12, 14, 8, 8, 2, 13, 4, 6, 9, 2, 1, 11, 7,

15, 5, 12, 11, 9, 3, 7, 14, 3, 10, 10, 0, 5, 6, 0, 13 },

{ 15, 3, 1, 13, 8, 4, 14, 7, 6, 15, 11, 2, 3, 8, 4, 14,

9, 12, 7, 0, 2, 1, 13, 10, 12, 6, 0, 9, 5, 11, 10, 5,

0, 13, 14, 8, 7, 10, 11, 1, 10, 3, 4, 15, 13, 4, 1, 2,

5, 11, 8, 6, 12, 7, 6, 12, 9, 0, 3, 5, 2, 14, 15, 9 },

{ 10, 13, 0, 7, 9, 0, 14, 9, 6, 3, 3, 4, 15, 6, 5, 10,

1, 2, 13, 8, 12, 5, 7, 14, 11, 12, 4, 11, 2, 15, 8, 1,

13, 1, 6, 10, 4, 13, 9, 0, 8, 6, 15, 9, 3, 8, 0, 7,

11, 4, 1, 15, 2, 14, 12, 3, 5, 11, 10, 5, 14, 2, 7, 12 },

{ 7, 13, 13, 8, 14, 11, 3, 5, 0, 6, 6, 15, 9, 0, 10, 3,

1, 4, 2, 7, 8, 2, 5, 12, 11, 1, 12, 10, 4, 14, 15, 9,

10, 3, 6, 15, 9, 0, 0, 6, 12, 10, 11, 1, 7, 13, 13, 8,

15, 9, 1, 4, 3, 5, 14, 11, 5, 12, 2, 7, 8, 2, 4, 14 },

{ 2, 14, 12, 11, 4, 2, 1, 12, 7, 4, 10, 7, 11, 13, 6, 1,

8, 5, 5, 0, 3, 15, 15, 10, 13, 3, 0, 9, 14, 8, 9, 6,

4, 11, 2, 8, 1, 12, 11, 7, 10, 1, 13, 14, 7, 2, 8, 13,

15, 6, 9, 15, 12, 0, 5, 9, 6, 10, 3, 4, 0, 5, 14, 3 },

{ 12, 10, 1, 15, 10, 4, 15, 2, 9, 7, 2, 12, 6, 9, 8, 5,

0, 6, 13, 1, 3, 13, 4, 14, 14, 0, 7, 11, 5, 3, 11, 8,

9, 4, 14, 3, 15, 2, 5, 12, 2, 9, 8, 5, 12, 15, 3, 10,

7, 11, 0, 14, 4, 1, 10, 7, 1, 6, 13, 0, 11, 8, 6, 13 },

{ 4, 13, 11, 0, 2, 11, 14, 7, 15, 4, 0, 9, 8, 1, 13, 10,

3, 14, 12, 3, 9, 5, 7, 12, 5, 2, 10, 15, 6, 8, 1, 6,

1, 6, 4, 11, 11, 13, 13, 8, 12, 1, 3, 4, 7, 10, 14, 7,

10, 9, 15, 5, 6, 0, 8, 15, 0, 14, 5, 2, 9, 3, 2, 12 },

{ 13, 1, 2, 15, 8, 13, 4, 8, 6, 10, 15, 3, 11, 7, 1, 4,

10, 12, 9, 5, 3, 6, 14, 11, 5, 0, 0, 14, 12, 9, 7, 2,

7, 2, 11, 1, 4, 14, 1, 7, 9, 4, 12, 10, 14, 8, 2, 13,

0, 15, 6, 12, 10, 9, 13, 0, 15, 3, 3, 5, 5, 6, 8, 11 }

};

注意：sbox是一个二维数组，行为8，列为64； 其中列是6bit的索引值检索的。比如：

48bit的值为：101100 000011 110000 010100 001101  000110 001101 110000

也就是索引分别为：44 3 48 20 13 6 13 48

得到的数字为：找到sbox[0][44]为2，则输出的第一个字节的高4bit为2； 找到sbox[1][3]为6，则输出第一个字节的低4bit为6等等，最终组成一个4个字节（32bit）的输出。

• 经过上面的替换之后，输入块需要经过最后一次置换操作。置换表如下所示：

static const int p_table[] = { 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 };

 

这个操作是对输入的右半部分进行的，做完这个操作之后，对结果和输入的左半部分进行XOR，然后得到的结果成为新的右半部分；在传输之前，原来的右半部分最为新的左半部分。

• 最后，完整的DES加密实现算法如下：

#defineDES_BLOCK_SIZE 8 // 64 bits, DES标准中定义的

#defineDES_KEY_SIZE 8 // 只使用了56bit，但是必须提供8个字节(其余8bit被忽略，见上文)

#defineEXPANSION_BLOCK_SIZE 6 //从32bit扩展到48bit，见上面的描述

#definePC1_KEY_SIZE 7// 最终使用了key的56bit

#defineSUBKEY_SIZE 6 //subkey都是48bit的

//plaintext：需要加密的数据，8个字节； ciphertext：加密后的密文，8个字节；key：密钥，8个字节

static void des_block_operate( const unsigned char plaintext[ DES_BLOCK_SIZE ],

unsigned char ciphertext[ DES_BLOCK_SIZE ],

const unsigned char key[DES_KEY_SIZE ] )

{

        // 存储空间；从明文到密文之间经过的结果；不过为了提升性能可以复用这些空间

        unsigned char ip_block[DES_BLOCK_SIZE ];

        unsigned char expansion_block[ EXPANSION_BLOCK_SIZE ];

        unsigned char substitution_block[ DES_BLOCK_SIZE / 2 ];

        unsigned char pbox_target[ DES_BLOCK_SIZE / 2 ];

        unsigned char recomb_box[ DES_BLOCK_SIZE / 2 ];

        unsigned char pc1key[PC1_KEY_SIZE ];

        unsigned char subkey[SUBKEY_SIZE ];

        int round;

        // 进行初始置换

        permute(ip_block, plaintext,ip_table, DES_BLOCK_SIZE );

        //64bit的key转换位56bit（2个28bit组成）的keyschedule

        permute(pc1key, key,pc1_table, PC1_KEY_SIZE );

        for ( round= 0; round< 16; round++ )

        {

        // “Feistel function” on the firsthalf of the block in ‘ip_block’

        // “Expansion”. This permutation onlylooks at the first

        // four bytes (32 bits of ip_block);16 of these are repeated

        // in “expansion_table”.

        permute(expansion_block, ip_block + 4, expansion_table, 6 );

        // “Key mixing”

        // rotate both halves of the initialkey

        rol(pc1key );

        if ( !(round <= 1 ||round == 8 ||round == 15 ) )

        {

        // Rotate twice except in rounds 1, 2,9 & 16

        rol(pc1key );

        }

        permute(subkey, pc1key,pc2_table, SUBKEY_SIZE );

        xor(expansion_block, subkey, 6 );

        // Substitution; “copy” from updatedexpansion block to ciphertext block

        memset( ( void* ) substitution_block, 0, DES_BLOCK_SIZE / 2 );

        substitution_block[ 0 ] =

        sbox[ 0 ][( expansion_block[ 0 ]& 0xFC ) >> 2 ] << 4;

        substitution_block[ 0 ]|=

        sbox[ 1 ][( expansion_block[ 0 ]& 0x03 ) << 4 |

        ( expansion_block[ 1 ] & 0xF0 ) >> 4 ];

        substitution_block[ 1 ] =

        sbox[ 2 ][( expansion_block[ 1 ]& 0x0F ) << 2 |

        ( expansion_block[ 2 ] & 0xC0 ) >> 6 ] << 4;

        substitution_block[ 1 ]|=

        sbox[ 3 ][( expansion_block[ 2 ]& 0x3F ) ];

        substitution_block[ 2 ] =

        sbox[ 4 ][( expansion_block[ 3 ]& 0xFC ) >> 2 ] << 4;

        substitution_block[ 2 ]|=

        sbox[ 5 ][( expansion_block[ 3 ]& 0x03 ) << 4 |

        ( expansion_block[ 4 ] & 0xF0 ) >> 4 ];

        substitution_block[ 3 ] =

        sbox[ 6 ][( expansion_block[ 4 ]& 0x0F ) << 2 |

        ( expansion_block[ 5 ] & 0xC0 ) >> 6 ] << 4;

        substitution_block[ 3 ]|=

        sbox[ 7 ][( expansion_block[ 5 ]& 0x3F ) ];

        // Permutation

        permute(pbox_target, substitution_block, p_table, DES_BLOCK_SIZE / 2 );

        // Recombination. XOR the pbox withleft half and then switch sides.

        memcpy( ( void* ) recomb_box, ( void *) ip_block, DES_BLOCK_SIZE / 2 );

        memcpy( ( void* ) ip_block, ( void* ) ( ip_block + 4),

        DES_BLOCK_SIZE/ 2 );

        xor(recomb_box, pbox_target, DES_BLOCK_SIZE / 2 );

        memcpy( ( void* ) ( ip_block + 4), ( void * )recomb_box,

        DES_BLOCK_SIZE/ 2 );

        }

        // Swap one last time

        memcpy( ( void* ) recomb_box, ( void *) ip_block, DES_BLOCK_SIZE / 2 );

        memcpy( ( void* ) ip_block, ( void* ) ( ip_block + 4), DES_BLOCK_SIZE / 2 );

        memcpy( ( void* ) ( ip_block + 4), ( void * )recomb_box,

        DES_BLOCK_SIZE/ 2 );

        // Final permutation (undo initialpermutation)

        permute(ciphertext, ip_block,fp_table, DES_BLOCK_SIZE );

}

DES解密算法

• DES描述的方式有一个很好的地方是它的解密和加密是一样的，只有key schedule是相反的。在加密的每一轮中，对key是做左轮换；但是在解密时做的是右轮换。其它的都是相似的。我们很容易地对des_block_operate函数增加解密支持，如下面的代码所示：

typedef enum {OP_ENCRYPT, OP_DECRYPT } op_type;

static void des_block_operate( const unsigned char plaintext[ DES_BLOCK_SIZE ],

                                       unsigned char ciphertext[ DES_BLOCK_SIZE ],

                                       const unsigned char key[ DES_KEY_SIZE ],

                                       op_type operation )

{

        …

        for ( round= 0; round< 16; round++ )

        {

                permute(expansion_block, ip_block + 4, expansion_table, 6 );

                // “Key mixing”

                // rotate both halves of the initialkey

                if (operation == OP_ENCRYPT )

                {

                        rol(pc1key );

                        if ( !(round <= 1 ||round == 8 ||round == 15 ) )

                        {

                                // Rotate twice except in rounds 1, 2,9 & 16

                                rol(pc1key );

                        }

                }

                permute(subkey, pc1key,pc2_table, SUBKEY_SIZE );

                if (operation == OP_DECRYPT )

                {

                        ror(pc1key );

                        if ( !(round >= 14 ||round == 7 ||round == 0 ) )

                        {

                                // Rotate twice except in rounds 1, 2,9 & 16

                                ror(pc1key );

                        }

                }

                xor(expansion_block, subkey, 6 );

        ...

}         

 

ror的代码如下：

static void ror(unsignedchar *target )

{

        int carry_left, carry_right;

        carry_right= ( target[ 6 ] & 0x01 ) << 3;

        target[ 6 ] =( target[ 6 ]>> 1 ) | ( ( target[5 ] & 0x01 ) << 7 );

        target[ 5 ] =( target[ 5 ]>> 1 ) | ( ( target[4 ] & 0x01 ) << 7 );

        target[ 4 ] =( target[ 4 ]>> 1 ) | ( ( target[3 ] & 0x01 ) << 7 );

        carry_left= ( target[ 3 ] & 0x10 ) << 3;

        target[ 3 ] =( ( ( target[ 3 ]>> 1 ) |

        ( ( target[2 ] & 0x01 ) << 7 ) ) & ~0x08 ) |carry_right;

        target[ 2 ] =( target[ 2 ]>> 1 ) | ( ( target[1 ] & 0x01 ) << 7 );

        target[ 1 ] =( target[ 1 ]>> 1 ) | ( ( target[0 ] & 0x01 ) << 7 );

        target[ 0 ] =( target[ 0 ]>> 1 ) | carry_left;

}

块加密算法中的填充和分组

• 正如前面展示的，DES是对8个字节的块进行操作的。如果输入的字节长度大于8个字节，那么需要反复调用上面的 des_block_operate函数。如果输入没有按照8个字节对齐，那就得对输入进行填充。当然，填充的方案必须按照一定的约定，否则各种实现就不通用了。如果我们采用的传统的方式在后面加0，那我们就需要一种方式来确定输入是否真的是以0结尾还是这些0是填充的。NIST发布了800-38A ( http://csrc.nist.gov/publications/nistpubs/800-38a/sp800-38a.pdf )建议在输入的末尾填充bit 1，然后再后面跟上足够的0，使得输入时8字节对齐的。也就是说，如果输入不是8字节对齐的，我们需要在输入后面先增加一个128的字节（0x80），然后后续跟上足够多的值为0的字节。这样在解密的时候，我们对解密后的结果，从末尾开始，如果为0则删除，直到碰上了值为128的字节。比如：如果输入的是abcdef，为了使它成为8字节，填充之后的结果为：61 62 63 64 65 66 80 00【61为a的ascii值，其它类推】。
• 但是上述方式存在一个问题，如果输入就是8字节对齐的，并且是以0x80后跟0x00结尾时，我们在解密的时候会错误删除字节了。因此，当输入时8字节对齐的时候，我们需要填充一个8字节的块（0x80 0x0 0x0 0x0 0x0 0x0 0x0 0x0）。
• 现在我们就可以来实现 des_encrypt方法，它在对输入填充之后使用 了des_block_operate方法来进行加密。

static void des_operate( const unsigned char *input,

                                int input_len,

                                unsigned char *output,

                                const unsigned char *key,

                                op_typeoperation )

{

        unsigned char input_block[ DES_BLOCK_SIZE ];

        assert( !(input_len % DES_BLOCK_SIZE ) );

        while (input_len )

        {

                memcpy( ( void* ) input_block, ( void *) input, DES_BLOCK_SIZE );

                des_block_operate( input_block, output, key, operation );

                input+= DES_BLOCK_SIZE;

                output+= DES_BLOCK_SIZE;

                input_len-= DES_BLOCK_SIZE;

        }

}

 

des_encrypt方法如下所示：

void des_encrypt( const unsigned char *plaintext,

        const int plaintext_len,

        unsigned char *ciphertext,

        const unsigned char *key )

{

        unsigned char *padded_plaintext;

        int padding_len;

        

        // First, pad the input to a multipleof DES_BLOCK_SIZE

        padding_len= DES_BLOCK_SIZE - ( plaintext_len %DES_BLOCK_SIZE );

        padded_plaintext= malloc(plaintext_len + padding_len );

        

        // This implements NIST 800-3A padding

        memset(padded_plaintext, 0x0,plaintext_len + padding_len );

        padded_plaintext[ plaintext_len ] = 0x80;

        memcpy(padded_plaintext, plaintext,plaintext_len );

        

        des_operate( padded_plaintext, plaintext_len + padding_len, ciphertext, key, OP_ENCRYPT );

        free(padded_plaintext );

}

 

• 除了上面说的NIST 800-38A填充的方法，还有一种填充方法是：PKCS #5 ，它填充的值是需要填充的字节数。这种方式只需要看解密后的最后一个字节的值，然后删除对应数目的字节就可以了。比如：输入的是abcdef，填充之后就是：

6162 63 64 65 66 02 02

a    b   c   d   e    f

因为需要填充2个字节，所以填充的值为2. 如果输入是8字节对齐 的，那么就增加：0x08 0x08 0x08 0x08 0x08 0x08 0x08 0x08

 

使用PKCS #5 填充方案，des_encrypt的实现如下：

// First, pad the inputto a multiple of DES_BLOCK_SIZE

 

padding_len = DES_BLOCK_SIZE - (plaintext_len % DES_BLOCK_SIZE );

padded_plaintext = malloc( plaintext_len + padding_len );

// This implements PKCS#5 padding.

memset( padded_plaintext,padding_len, plaintext_len + padding_len );

 

memcpy( padded_plaintext,plaintext, plaintext_len );

 

des_operate( padded_plaintext,plaintext_len + padding_len, ciphertext, key, OP_ENCRYPT );