DES加密解密详解

        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,由于我只涉及了分组公钥密码,因此在这篇文章中就暂且先介绍分组密码,在说分组密码以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。
    对称密码体制是指若是一个加密系统的加密密钥和解密密钥相同,或者虽然不一样,可是由其中的任意一个能够很容易地推导出另外一个,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算法






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要弄懂DES其实只需掌握如下几点便可:安全

1. 模2加运算
这个是比较好理解的,就是两个数相加而后除2取余。

2. 理解其中的置换函数


置换规则表

其功能是把输入的64位数据块按位从新组合,并把输出分为L0、R0两部分,每部分各长32位,其置换规则见下表:
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,

即将输入的第58位换到第一位,第50位换到第2位,...,依此类推,最后一位是原来的第7位。L0、R0则是换位输出后的两部分,L0是输出的左32位,R0 是右32位,例:设置换前的输入值为D1D2D3......D64,则通过初始置换后的结果为:L0=D58D50...D8;R0=D57D49...D7。

通过16次迭代运算后。获得L1六、R16,将此做为输入,进行逆置换,即获得密文输出。逆置换正好是初始置换的逆运算。例如,第1位通过初始置换后,处于第40位,而经过逆置换,又将第40位换回到第1位,

逆置换规则以下表所示:
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,




一开始的时候就会对明文进行置换,经过初始置换IP:
上面所述的均为整个程序中所要用到的标准表。
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第一个58就是你明文中的第58个元素,你要放到1的位置,而后把明文中第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,而后根据选择置换PC-1讲剩下的密钥分红两块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,而后C1和D1合并,经过选择置换PC-2生成子密钥K1;
第三步,C1和D1再次通过循环左移变换,生成C2和D2,C2和D2合并,经过选择置换PC-2生成子密钥K2;
第四步,以此类推,须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,其余的都是左移两位。
 
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DES的核心——加密函数
oop

加密函数的加密过程也能够经过三步走:加密

第一步,将R0经过位选择函数E置换,其实这是一个扩充的置换,由于R0自己是32位的(这点先记住就好了,后一篇文章会说),而生成的子密钥是48位的,所以须要扩充一下,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,获得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,经过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表明S盒中的行标,b2b3b4b5表明列标。好比说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,而后把8变为二进制1000。这就完成了S盒收缩变换,而后经过S盒输出的就是32位的一个串。
第四步,把32位的串通过置换函数P的置换获得的结果就是这个核心函数的产物了。
 
 
DES算法的特色
  DES算法具备极高安全性,到目前为止,除了用穷举搜索法对DES算法进行攻击外,尚未发现更有效的办法。而56位长的密钥的穷举空间为256,这意味着若是一台计算机的速度是每一秒种检测一百万个密钥,则它搜索彻底部密钥就须要将近2285年的时间,可见,这是难以实现的,固然,随着科学技术的发展,当出现超高速计算机后,咱们可考虑把DES密钥的长度再增加一些,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做为行,第二三四五为的对应十进制数做为列 {     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;   }