DES加密解密算法详解

技术小胖子 2017-11-01

算法 函数 加密 static void

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:

 


  1. #include "memory.h" 
  2. #include "stdio.h" 
  3. #include "conio.h" 
  4. enum    {ENCRYPT,DECRYPT};// ENCRYPT:加密,DECRYPT:解密 
  5. void Des_Run(char Out[8], char In[8], bool Type=ENCRYPT); 
  6. void Des_SetKey(const char Key[8]);// 设置密钥 
  7. static void F_func(bool In[32], const bool Ki[48]);// f 函数 
  8. static void S_func(bool Out[32], const bool In[48]);// S 盒代替 
  9. static void Transform(bool *Out, bool *In, const char *Table, int len);// 变换 
  10. static void Xor(bool *InA, const bool *InB, int len);// 异或 
  11. static void RotateL(bool *In, int len, int loop);// 循环左移 
  12. static void ByteToBit(bool *Out, const char *In, int bits);// 字节组转换成位组 
  13. static void BitToByte(char *Out, const bool *In, int bits);// 位组转换成字节组 
  14. //置换IP表 
  15. const static char IP_Table[64] = { 
  16.         58,50,42,34,26,18,10,2,60,52,44,36,28,20,12,4, 
  17.         62,54,46,38,30,22,14,6,64,56,48,40,32,24,16,8, 
  18.         57,49,41,33,25,17,9,1,59,51,43,35,27,19,11,3, 
  19.         61,53,45,37,29,21,13,5,63,55,47,39,31,23,15,7 
  20. }; 
  21. //逆置换IP-1表 
  22. const static char IPR_Table[64] = { 
  23.         40,8,48,16,56,24,64,32,39,7,47,15,55,23,63,31, 
  24.         38,6,46,14,54,22,62,30,37,5,45,13,53,21,61,29, 
  25.         36,4,44,12,52,20,60,28,35,3,43,11,51,19,59,27, 
  26.         34,2,42,10,50,18,58,26,33,1,41,9,49,17,57,25 
  27. }; 
  28. //E位选择表(扩展置换表) 
  29. static const char E_Table[48] = { 
  30.         32,1,2,3,4,5,4,5,6,7,8,9, 
  31.         8,9,10,11,12,13,12,13,14,15,16,17, 
  32.         16,17,18,19,20,21,20,21,22,23,24,25, 
  33.         24,25,26,27,28,29,28,29,30,31,32,1 
  34. }; 
  35. //P换位表(单纯换位表) 
  36. const static char P_Table[32] = { 
  37.         16,7,20,21,29,12,28,17,1,15,23,26,5,18,31,10, 
  38.         2,8,24,14,32,27,3,9,19,13,30,6,22,11,4,25 
  39. }; 
  40. //PC1选位表(密钥生成置换表1) 
  41. const static char PC1_Table[56] = { 
  42.         57,49,41,33,25,17,9,1,58,50,42,34,26,18, 
  43.         10,2,59,51,43,35,27,19,11,3,60,52,44,36, 
  44.         63,55,47,39,31,23,15,7,62,54,46,38,30,22, 
  45.         14,6,61,53,45,37,29,21,13,5,28,20,12,4 
  46. }; 
  47. //PC2选位表(密钥生成置换表2) 
  48. const static char PC2_Table[48] = { 
  49.         14,17,11,24,1,5,3,28,15,6,21,10, 
  50.         23,19,12,4,26,8,16,7,27,20,13,2, 
  51.         41,52,31,37,47,55,30,40,51,45,33,48, 
  52.         44,49,39,56,34,53,46,42,50,36,29,32 
  53. }; 
  54. //左移位数表  
  55. const static char LOOP_Table[16] = { 
  56.     1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1 
  57. }; 
  58. // S盒 
  59. const static char S_Box[8][4][16] = { 
  60.         // S1  
  61.         14,4,13,1,2,15,11,8,3,10,6,12,5,9,0,7, 
  62.         0,15,7,4,14,2,13,1,10,6,12,11,9,5,3,8, 
  63.         4,1,14,8,13,6,2,11,15,12,9,7,3,10,5,0, 
  64.         15,12,8,2,4,9,1,7,5,11,3,14,10,0,6,13, 
  65.         //S2 
  66.         15,1,8,14,6,11,3,4,9,7,2,13,12,0,5,10, 
  67.         3,13,4,7,15,2,8,14,12,0,1,10,6,9,11,5, 
  68.         0,14,7,11,10,4,13,1,5,8,12,6,9,3,2,15, 
  69.         13,8,10,1,3,15,4,2,11,6,7,12,0,5,14,9, 
  70.         //S3 
  71.         10,0,9,14,6,3,15,5,1,13,12,7,11,4,2,8, 
  72.         13,7,0,9,3,4,6,10,2,8,5,14,12,11,15,1, 
  73.         13,6,4,9,8,15,3,0,11,1,2,12,5,10,14,7, 
  74.         1,10,13,0,6,9,8,7,4,15,14,3,11,5,2,12, 
  75.         //S4 
  76.         7,13,14,3,0,6,9,10,1,2,8,5,11,12,4,15, 
  77.         13,8,11,5,6,15,0,3,4,7,2,12,1,10,14,9, 
  78.         10,6,9,0,12,11,7,13,15,1,3,14,5,2,8,4, 
  79.         3,15,0,6,10,1,13,8,9,4,5,11,12,7,2,14, 
  80.         //S5 
  81.         2,12,4,1,7,10,11,6,8,5,3,15,13,0,14,9, 
  82.         14,11,2,12,4,7,13,1,5,0,15,10,3,9,8,6, 
  83.         4,2,1,11,10,13,7,8,15,9,12,5,6,3,0,14, 
  84.         11,8,12,7,1,14,2,13,6,15,0,9,10,4,5,3, 
  85.         //S6 
  86.         12,1,10,15,9,2,6,8,0,13,3,4,14,7,5,11, 
  87.         10,15,4,2,7,12,9,5,6,1,13,14,0,11,3,8, 
  88.         9,14,15,5,2,8,12,3,7,0,4,10,1,13,11,6, 
  89.         4,3,2,12,9,5,15,10,11,14,1,7,6,0,8,13, 
  90.         //S7 
  91.         4,11,2,14,15,0,8,13,3,12,9,7,5,10,6,1, 
  92.         13,0,11,7,4,9,1,10,14,3,5,12,2,15,8,6, 
  93.         1,4,11,13,12,3,7,14,10,15,6,8,0,5,9,2, 
  94.         6,11,13,8,1,4,10,7,9,5,0,15,14,2,3,12, 
  95.         //S8 
  96.         13,2,8,4,6,15,11,1,10,9,3,14,5,0,12,7, 
  97.         1,15,13,8,10,3,7,4,12,5,6,11,0,14,9,2, 
  98.         7,11,4,1,9,12,14,2,0,6,10,13,15,3,5,8, 
  99.         2,1,14,7,4,10,8,13,15,12,9,0,3,5,6,11 
  100. }; 
  101.  
  102. static bool SubKey[16][48];// 16圈子密钥 
  103.  
  104. void Des_Run(char Out[8], char In[8], bool Type) 
  105.     static bool M[64], Tmp[32], *Li = &M[0], *Ri = &M[32]; 
  106.     ByteToBit(M, In, 64);// 字节组转换成位组 
  107.     Transform(M, M, IP_Table, 64);// 变换 
  108.     if( Type == ENCRYPT ){ 
  109.         for(int i=0; i<16; i++) { 
  110.             memcpy(Tmp, Ri, 32); 
  111.             F_func(Ri, SubKey[i]); 
  112.             Xor(Ri, Li, 32);// 异或 
  113.             memcpy(Li, Tmp, 32); 
  114.         } 
  115.     }else
  116.         for(int i=15; i>=0; i--) { 
  117.             memcpy(Tmp, Li, 32); 
  118.             F_func(Li, SubKey[i]); 
  119.             Xor(Li, Ri, 32);// 异或 
  120.             memcpy(Ri, Tmp, 32); 
  121.         } 
  122.     } 
  123.     Transform(M, M, IPR_Table, 64);// 变换 
  124.     BitToByte(Out, M, 64); 
  125.  
  126.  
  127. void Des_SetKey(const char Key[8]) 
  128.     static bool K[64], *KL = &K[0], *KR = &K[28]; 
  129.     ByteToBit(K, Key, 64);// 字节组转换成位组 
  130.     Transform(K, K, PC1_Table, 56);// 变换 
  131.     for(int i=0; i<16; i++)  
  132.     { 
  133.         RotateL(KL, 28, LOOP_Table[i]);// 循环左移 
  134.         RotateL(KR, 28, LOOP_Table[i]);// 循环左移 
  135.         Transform(SubKey[i], K, PC2_Table, 48);// 变换 
  136.     } 
  137.  
  138.   
  139.  
  140. void F_func(bool In[32], const bool Ki[48])// f 函数 
  141.     static bool MR[48]; 
  142.     Transform(MR, In, E_Table, 48);// 变换 
  143.     Xor(MR, Ki, 48);// 异或 
  144.     S_func(In, MR);// S 盒代替 
  145.     Transform(In, In, P_Table, 32);// 变换 
  146.  
  147. 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 
  148.     for(char i=0,j,k; i<8; i++,In+=6,Out+=4)  
  149.     { 
  150.         j = (In[0]<<1) + In[5]; 
  151.         k = (In[1]<<3) + (In[2]<<2) + (In[3]<<1) + In[4]; 
  152.         ByteToBit(Out, &S_Box[i][j][k], 4); 
  153.     } 
  154.  
  155. void Transform(bool *Out, bool *In, const char *Table, int len)//变换 
  156.     static bool Tmp[256]; 
  157.     for(int i = 0; i < len; i++) 
  158.     { 
  159.         Tmp[i] = In[ Table[i] - 1 ]; 
  160.     } 
  161.     memcpy(Out, Tmp, len); 
  162.  
  163.  
  164.  
  165. void Xor(bool *InA, const bool *InB, int len)//异或 
  166.     for(int i = 0; i < len; i++) 
  167.     { 
  168.         InA[i] ^= InB[i]; 
  169.     } 
  170.  
  171. void RotateL(bool *In, int len, int loop)//循环左移 
  172.     static bool Tmp[256]; 
  173.     memcpy(Tmp, In, loop); 
  174.     memcpy(In, In+loop, len-loop); 
  175.     memcpy(In+len-loop, Tmp, loop); 
  176.  
  177. void ByteToBit(bool *Out, const char *In, int bits)//字节组转换成位组 
  178.     for(int i = 0; i < bits; i++) 
  179.     { 
  180.         Out[i] = (In[i/8] >> (i%8)) & 1; 
  181.     } 
  182.  
  183. void BitToByte(char *Out, const bool *In, int bits) 
  184.     memset(Out, 0, (bits+7)/8); 
  185.     for(int i = 0; i < bits; i++) 
  186.     { 
  187.         Out[i/8] |= In[i] << (i%8); 
  188.     } 
  189.  
  190.  
  191. int main(int argc, char *argv[]) 
  192.     char key[8] = {1, 9, 8, 0, 9, 1, 7, 2}, str[] = "Hello"
  193.     puts("Before encrypting"); 
  194.     puts(str); 
  195.     Des_SetKey(key); 
  196.     Des_Run(str, str, ENCRYPT); 
  197.     puts("After decrypting"); 
  198.     puts(str); 
  199.     puts("After decrypting"); 
  200.     Des_Run(str, str, DECRYPT); 
  201.     puts(str); 
  202.  
  203.     return 0; 
  204.  

 



     本文转自 驿落黄昏 51CTO博客,原文链接:http://blog.51cto.com/yiluohuanghun/917168,如需转载请自行联系原作者




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