DES加密算法详解-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/SG_SIQing/article/details/21085471

网上流传着众多DES加密算法的不同版本，原理相同，代码亦大同小异，而大多却是出自同源，在这呢，我也公布一种我自己的写法，也不一定好，但求容易看懂。

步骤详解：
1.密钥处理：得到16轮操作，每轮所需要用到的密钥；
为什么这样做呢？因为大家知道：加密解密用的16个密钥是相同的，只是顺序不同，如果先将要用到的16轮密钥都求出呢，以后不论加密还是解密便可直接调用，不用再想它了。

2.明文处理：即初始置换啊，16轮迭代啊神马的
这一步呢，就把所有需要做的操作做完了。也就是说呢，第2步处理之后，便可以输出密文了。

综上可以看出，DES加/解密，其实就两步操作，一呢，得到密钥，二，就是对明/密文进得处理。

好了，下面我们仔细看看以上两步的详细操作流程：
首先，是得到16轮密钥这一步，我们知道：其中第8、16、24、32、40、48、56、64位是没有用到的，也就是有些地方说的奇偶校验位，说白了，反正都没用到，你还管他奇偶校验去死啊（其实这样说有问题，因为奇偶校验位可以验证密码，但在一般实现中这个作用都没有体现出来，所以，在这，你大可以大胆放心滴让它去死~）。那，说到这呢，我就想曝光一个事实：网上众多的DES实现代码中，有相当多的一部分在这一步上都有问题，不信的话你可以去试验一下，包括“在线DES加密解密”中，你可以对明文用诸如“12345678”进行加密，然后用“03254769”进行解密，你会发现，解密出来，仍然是原来的明文，可是密钥明明就不是原来的密钥嘛！！！为什么会这样呢，留给亲爱的读者你去想喽。
呃，跑题了，书接前文：话说这8位没用的话，那我们就应该跳过这8位，所以在对密钥进行处理时呢，我们可以对密钥的字符直接左移1位（这样做的后果就是舍去高位，但只要设置成不能用中文密钥进行加/解密就不会有问题了）以跳过8的倍数位，然后再进行初始置换，左移，压缩置换。
在这里插一句哈，我们直接用位操作来实现的话呢，不是不可以，只是操作比较烦，也容易出错，所以我们可以选择将字符转换成对应的二进制来操作，即以8位（1字符）来代表原来字符中的一位，等操作完成后再转换回来。那我们就会用到两个函数：

void ChToBit(char* dest, char* src, int length); // 字符转二进制
inline void BitToCh(char* dest, char* src, int length); // 二进制转字符

那现在问题就是如何进行置换？我们应该知道，在这之后对明文的处理过程中也会有很多置换处理，我们会发现一个特点，那就是：过程都一样，只是用到的置换数组不一样，那么我们就完全可以将它们统统用一个函数来实现：

void BatchSet(char* dest, char* src, char* offset, int count);

它的作用就是将src[]中的字符按照offset[]置换到dest[]中，count要置换的字符个数。它的实现很简单，就是单纯地将src[]中的字符以offset[]为下标一个个地写到dest[]中。（具体见代码实现）

好了，置换已经被我们干掉了，下一关就是左移了。在这呢，很多人想到的方法是用memcpy()进行位移，但是我们的C提供了指针啊，设：指针指向字符串的开始，然后我们完全可以这么想：字符左移，就相当于指针右移。即算法要求左移多少位，指针就右移多少位。这样做方便省事，只是要多花一点空间，反正那么多盒的空间都用了，这20来个字符的空间还舍不行呀。那么，现在，左移也被我们愉快地解决啦。（具体见代码实现）

OK, OK. 前面我们已经得到了16轮要用到的密钥，下面我们就可以进入DES加密解密的主要过程了。将明文转为对应的二进制后，首先呢，是对明文进行初始置换，置换怎么做？Alright, BatchSet()一步搞定！然后进入16轮的迭代过程：一，扩展置换，反正是置换就BatchSet()了，过；二，与得到的密钥进行异或操作，额，这就不说了吧；三，S_BOX代替，这个就是考位操作了，一般没问题吧，将得到的S_BOX中的值拼装后进行个转换二进制就行了；四，P_BOX置换，还是BatchSet()；五，与左半部分进行异或，不说了，过；六，将原右半部分写到左半部分。
16轮迭代完成后将左右部分交换一下，再来个末置换，就算是加密完成了。最后，再将密文可读就行了。密文可读，什么意思？你想呀，我们用的是C嘛，C中字符串是以0为结束符的，假设，在密文的中间部分出现了0怎么办？输出都是问题呀。再假设，如果密文的字符二进制是以1为开始的怎么办？让它出现中文乱码？显然这样做不太美观，所以我们可以想个办法让它可读，这里我用输出它对应十六进制的方法，当然也可以用其它任何适当方法。

下面就用一些更直接的表现一下具体过程吧：
一，得到密钥部分
1.key[0..7] <<= 1; // 跳过每个字符的第8位
  2.bk[1..64] <-- key // 转为二进制
  3.初始转换得到tk <-- bk，同时使指针ptk = tk // BatchSet初始置换
  4.左移相应的位数，但只是ptk += 位移数
  5.压缩置换得到keyb[i] // keyb[0..15][1..48]即为每轮要用到的密钥
  6.重复4，5共16次

二，得到密文部分
  1.msgbt <-- msg 得到二进制
  2.msgb <-- msgbt 初始置换
  3.rt <-- msgb+33 将右半部分先保存起来
  4.r <-- msgb+32 扩展置换到r[]中
  5.r ^= keyb ; r与每轮密钥keyb进行异或
  6.r = S盒代替(r); 进行S盒代替
  7.msgb+32 <-- r; P盒置换
  8.(msgb+32)[1..32] ^ msgb[1..32] 右半部分与左半部分进行异或
  9.msgb+1 <-- rt 将原来的右半部分写到左半部分
  10.重复3~9共16次
  11.交换msgb左右两部分
  12.msgb末置换
  14.使密文可读

其实16轮具体过程呢，就是如下咯：
  设L0为明文左半部分，R0为明文右半部分，i表示第i轮，ER表示扩展置换
  (TR = Ri) --> (扩展置换Ri得到ER) --> (ER^=key[i]) --> (S盒代替得到ER) --> (P盒置换ER得到Ri) --> (Ri^=Li) --> (Li=TR)

代码实现：

#include <stdio.h>  
#include <string.h>  
  
#define maxn 0x8000     // 理论支持明文长度  
#define ENCODE 0,16,1       // 加密用的宏  
#define DECODE 15,-1,-1     // 解密用的宏  
  
// 明文初始置换  
char msg_ch[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  
};  
  
// 密钥初始置换  
char key_ch[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  
};  
  
// 扩展置换  
char msg_ex[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  
};  
  
// 每轮密钥的位移  
char key_mov[16] = {  
    1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1  
};  
  
// 压缩置换  
char key_cmprs[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  
};  
  
// S 盒置换  
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  
};  
  
// P 盒置换  
char p_box[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  
};  
  
// 末置换  
char last_ch[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  
};  
  
// hash 置换，将加密后的密文置换为可读明文  
char hs_ch[20] = "0123456789abcdef";  
char sh_ch[128];  

void init_trans() {
    char i;
    for (i = 0; i < 16; i++)  
        sh_ch[hs_ch[i]] = i;    // 完成hash转换的对应  
}
  
char msg[maxn], key[16], res[32];  
char msgb[72], msgbt[72], keyb[18][72];  
  
// 字符转成二进制  
void ChToBit(char* dest, char* src, int length) {  
    int i, j;
    char t;
    for (i = 0; i < length; i++) { 
        for (j = 8, t = src[i]; j > 0; j--) {  
            dest[(i << 3) + j] = t & 1;   // 取字符末位  
            t >>= 1;  
        } 
    }
}  
  
// 二进制转成字符  
void BitToCh(char* dest, char* src, int length) {  
    int i;
    for (i = 0; i < length << 3; i++) {  
        dest[i >> 3] <<= 1;  
        dest[i >> 3] |= src[i + 1];   // 添加到末位  
    }  
    dest[length] = 0;  
}  
  
// 批置换，以offset为偏移，以count为长度  
void BatchSet(char* dest, char* src, char* offset, int count) {  
    int i;
    for (i = 0; i < count; i++)  
        dest[i + 1] = src[offset[i]];  
}  
  
// 得到16轮所需的密钥  
void getKeys() {  
    char tk[128], bk[72];  
    char* ptk = tk;  
    int i, j;
    for (i = 0; i < 8; i++)  
        key[i] <<= 1; // 跳过奇偶校验位  
    ChToBit(bk, key, 8);  
    BatchSet(tk, bk, key_ch, 56);  
    for (i = 0; i < 16; i++) {  
        for (j = 0; j < key_mov[i]; j++, ptk++) {  
            ptk[57] = ptk[28];  
            ptk[28] = ptk[1];  
            // ptk++ 为亮点所在，实质上每一位都没有左移，只是指针右移了  
        }  
        BatchSet(keyb[i], ptk, key_cmprs, 48);  
    }  
}  
  
// 将加密后的密文转换为可读的明文  
void msgPro(char* dest, char* src) {  
    int i, j;  
    for (i = 0; i < 16; i++) {  
        dest[i] = 0;  
        for (j = 1; j <= 4; j++) // 取4位按hash构造一个字符  
            dest[i] = (dest[i] << 1) | src[i * 4 + j];  
        dest[i] = hs_ch[dest[i]];  
    }  
    dest[i] = 0;  
}  
  
// 将密文转换为真正的密文  
void dropMsg(char* dest, char* src) {  
    int i;
    for (i = 0; i < 16; i++) { // 为hash的逆运算过程  
        dest[i >> 1] = (dest[i >> 1] << 4) | sh_ch[src[i]];  
    }
}  
  
// 通用加/解密函数，后面三个参数由宏ENCODE和DECODE提供  
void DES(char* pmsg, int st, int cl, int step) {  
    int i, row, col;  
    char r[64], rt[48], s[8];  
    ChToBit(msgbt, pmsg, 8);  
    BatchSet(msgb, msgbt, msg_ch, 64); // 初始置换  
    for (; st != cl; st += step) {  
        memcpy(rt, msgb + 33, 32);  
        BatchSet(r, msgb + 32, msg_ex, 48); // 扩展置换  
        for (i = 1; i <= 48; i++)  
            r[i] ^= keyb[st][i]; // 异或操作  
        // s_box 代替  
        for (i = 0; i < 48; i += 6) {  
            row = col = 0;  
            row = r[i + 1] << 1 | r[i + 6];  
            col = (r[i + 2] << 3) | (r[i + 3] << 2) | (r[i + 4] << 1) | r[i + 5];  
            s[i / 12] = (s[i / 12] <<= 4) | s_box[i / 6][row][col];  
        }  
        ChToBit(r, s, 4);  
        BatchSet(msgb + 32, r, p_box, 32); // p_box 置换  
        for (i = 1; i <= 32; i++)  
            msgb[i + 32] ^= msgb[i]; // 异或  
        memcpy(msgb + 1, rt, 32);  
    }  
    memcpy(msgbt + 33, msgb + 1, 32);  
    memcpy(msgbt + 1, msgb + 33, 32);  
    BatchSet(msgb, msgbt, last_ch, 64); // 末置换  
    if (step == 1)  
        msgPro(res, msgb); // 使密文可读  
    else  
        BitToCh(res, msgb, 8); // 转为原明文  
}  
  
/* 本程序为其他程序调用，所有参数自己定义 
 * 详细参数： 
 * des d/e key msg 
 *  d——解密   e——加密 
 *  key——密钥 
 *  msg——要加/解密的明/密文 
 */  
int main(int arg, char* arv[]) {  
    if (arg < 3) {  
        printf("Input Error");  
        return 0;  
    }  
    init_trans();
  
    // 读取参数过程  
    char mode = arv[1][0];  
    strcpy(key, arv[2]);  
    strcpy(msg, arv[3]);  
  
    getKeys(); // 得到16轮要用到的密钥  
  
    int i;
    if (mode == 'e') {  
        for (i = 0; msg[i]; i += 8) {  
            DES(msg + i, ENCODE); // 加密  
            printf("%s", res);  
        }  
    } else if (mode == 'd') {  
        for (i = 0; msg[i]; i += 16) {  
            dropMsg(res, msg + i); // 将密文转换为真正的密文  
            DES(res, DECODE); // 解密  
            printf("%s", res);  
        }  
    } else {  
        printf("Input Error!!!");  
    }  
    printf("\n");
    return 0;  
}

测试：

DES加密算法C实现