DES加密解密算法详解

     近段时间因为项目需要，所以一直致力于网络与信息安全方面，免不了涉及了信息的加密与解密，所以这些日子一直在苦苦钻研密码学。

 

     密码学是一门古老的学科，在密码学发展的历史上，出现了多种加密方法，又很早的古典加密算法，后来又出现了更成熟的分组密码，公钥密码及流密码等，因为我只涉及了分组公钥密码，所以在这篇文章中就暂且先介绍分组密码，在说分组密码之前要说的就是密码学中常见的两种体制，一种是对称密码体制，一种是非对称密码体制，也叫公钥密码体制。

    对称密码体制是指如果一个加密系统的加密密钥和解密密钥相同，或者虽然不同，但是由其中的任意一个可以很容易地推导出另一个，即密钥是双方共享的。

下面我就介绍一种对称密码算法DES。

其算法描述DES

要弄懂DES其实只需掌握以下几点即可：

1． 模2加运算
这个是比较好理解的，就是两个数相加然后除2取余。

2． 理解其中的置换
一开始的时候就会对明文进行置换，通过初始置换IP：

上面所述的均为整个程序中所要用到的标准表。

第一个58就是你明文中的第58个元素，你要放到1的位置，然后把明文中第50个元素放到2的位置，以此类推

子密钥生成分为三步走：
第一步，先把密钥中的奇偶校验为去掉，然后根据选择置换PC-1讲剩下的密钥分成两块C0和D0；
第二步，将C0和D0进行循环左移变换，变换后生成C1和D1，然后C1和D1合并，通过选择置换PC-2生成子密钥K1；
第三步，C1和D1再次经过循环左移变换，生成C2和D2，C2和D2合并，通过选择置换PC-2生成子密钥K2；
第四步，以此类推，需要注意其中循环左移的位数，一共是循环左移十六次，其中LS1（第一次），LS2（第二次），LS9，LS16是循环左移一位，其他的都是左移两位。

 

DES的核心——加密函数

加密函数的加密过程也可以通过三步走：
第一步，将R0通过位选择函数E置换，其实这是一个扩充的置换，因为R0本身是32位的（这点先记住就行了，后一篇文章会说），而生成的子密钥是48位的，因此需要扩充一下，方能按位运算。
第二步，将扩充完的R0和子密钥K1进行模2加运算，得到48位的一个串，把这个串从左到右分为8组，每组6个字符。这里设8组分别为B1，B2，B3，B4，B5，B6，B7，B8。其中Bj=b1b2b3b4b5b6。
第三步，通过S盒来收缩，把每组中的b1b6放一块，换算为十进制，b2b3b4b5放一块，也换算为十进制。b1b6代表S盒中的行标，b2b3b4b5代表列标。比如说B1=011111，那么b1b6就等于十进制的1，b2b3b4b5等于十进制的15，也就是对应表中的S1块中的第1行（注意不是0行），15列，也就是8，然后把8变为二进制1000。这就完成了S盒收缩变换，然后通过S盒输出的就是32位的一个串。

第四步，把32位的串经过置换函数P的置换得到的结果就是这个核心函数的产物了。

 

DES算法的特点
　　DES算法具有极高安全性，到目前为止，除了用穷举搜索法对DES算法进行攻击外，还没有发现更有效的办法。而56位长的密钥的穷举空间为256，这意味着如果一台计算机的速度是每一秒种检测一百万个密钥，则它搜索完全部密钥就需要将近2285年的时间，可见，这是难以实现的，当然，随着科学技术的发展，当出现超高速计算机后，我们可考虑把DES密钥的长度再增长一些，以此来达到更高的保密程度。

下面附录了DES加密和解密算法的源码：

 

#include "memory.h"
#include "stdio.h"
#include "conio.h"
enum    {ENCRYPT,DECRYPT};// ENCRYPT:加密,DECRYPT:解密
void Des_Run(char Out[8], char In[8], bool Type=ENCRYPT);
void Des_SetKey(const char Key[8]);// 设置密钥
static void F_func(bool In[32], const bool Ki[48]);// f 函数
static void S_func(bool Out[32], const bool In[48]);// S 盒代替
static void Transform(bool *Out, bool *In, const char *Table, int len);// 变换
static void Xor(bool *InA, const bool *InB, int len);// 异或
static void RotateL(bool *In, int len, int loop);// 循环左移
static void ByteToBit(bool *Out, const char *In, int bits);// 字节组转换成位组
static void BitToByte(char *Out, const bool *In, int bits);// 位组转换成字节组
//置换IP表
const static char IP_Table[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
};
//逆置换IP-1表
const static char 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
};
//E位选择表(扩展置换表)
static const char E_Table[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
};
//P换位表(单纯换位表)
const 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
};
//PC1选位表(密钥生成置换表1)
const static char PC1_Table[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
};
//PC2选位表(密钥生成置换表2)
const static char PC2_Table[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
};
//左移位数表
const static char LOOP_Table[16] = {
    1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1
};
// S盒
const static char S_Box[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
};

static bool SubKey[16][48];// 16圈子密钥

void Des_Run(char Out[8], char In[8], bool Type)
{
    static bool M[64], Tmp[32], *Li = &M[0], *Ri = &M[32];
    ByteToBit(M, In, 64);// 字节组转换成位组
    Transform(M, M, IP_Table, 64);// 变换
    if( Type == ENCRYPT ){
        for(int i=0; i<16; i++) {
            memcpy(Tmp, Ri, 32);
            F_func(Ri, SubKey[i]);
            Xor(Ri, Li, 32);// 异或
            memcpy(Li, Tmp, 32);
        }
    }else{
        for(int i=15; i>=0; i--) {
            memcpy(Tmp, Li, 32);
            F_func(Li, SubKey[i]);
            Xor(Li, Ri, 32);// 异或
            memcpy(Ri, Tmp, 32);
        }
    }
    Transform(M, M, IPR_Table, 64);// 变换
    BitToByte(Out, M, 64);
}


void Des_SetKey(const char Key[8])
{
    static bool K[64], *KL = &K[0], *KR = &K[28];
    ByteToBit(K, Key, 64);// 字节组转换成位组
    Transform(K, K, PC1_Table, 56);// 变换
    for(int i=0; i<16; i++)
    {
        RotateL(KL, 28, LOOP_Table[i]);// 循环左移
        RotateL(KR, 28, LOOP_Table[i]);// 循环左移
        Transform(SubKey[i], K, PC2_Table, 48);// 变换
    }
}



void F_func(bool In[32], const bool Ki[48])// f 函数
{
    static bool MR[48];
    Transform(MR, In, E_Table, 48);// 变换
    Xor(MR, Ki, 48);// 异或
    S_func(In, MR);// S 盒代替
    Transform(In, In, P_Table, 32);// 变换
}

void S_func(bool Out[32], const bool In[48])// S 盒代替,输入6位的数，输出4位的数，将第一六位对应的十进制数作为行，第二三四五为的对应十进制数作为列
{
    for(char i=0,j,k; i<8; i++,In+=6,Out+=4)
    {
        j = (In[0]<<1) + In[5];
        k = (In[1]<<3) + (In[2]<<2) + (In[3]<<1) + In[4];
        ByteToBit(Out, &S_Box[i][j][k], 4);
    }
}

void Transform(bool *Out, bool *In, const char *Table, int len)//变换
{
    static bool Tmp[256];
    for(int i = 0; i < len; i++)
    {
        Tmp[i] = In[ Table[i] - 1 ];
    }
    memcpy(Out, Tmp, len);
}



void Xor(bool *InA, const bool *InB, int len)//异或
{
    for(int i = 0; i < len; i++)
    {
        InA[i] ^= InB[i];
    }
}

void RotateL(bool *In, int len, int loop)//循环左移
{
    static bool Tmp[256];
    memcpy(Tmp, In, loop);
    memcpy(In, In+loop, len-loop);
    memcpy(In+len-loop, Tmp, loop);
}

void ByteToBit(bool *Out, const char *In, int bits)//字节组转换成位组
{
    for(int i = 0; i < bits; i++)
    {
        Out[i] = (In[i/8] >> (i%8)) & 1;
    }
}

void BitToByte(char *Out, const bool *In, int bits)
{
    memset(Out, 0, (bits+7)/8);
    for(int i = 0; i < bits; i++)
    {
        Out[i/8] |= In[i] << (i%8);
    }
}


int main(int argc, char *argv[])
{
    char key[8] = {1, 9, 8, 0, 9, 1, 7, 2}, str[] = "Hello";
    puts("Before encrypting");
    puts(str);
    Des_SetKey(key);
    Des_Run(str, str, ENCRYPT);
    puts("After decrypting");
    puts(str);
    puts("After decrypting");
    Des_Run(str, str, DECRYPT);
    puts(str);

    return 0;

}