DES算法总体分成两步,第一步是根据给定的16位16进制数(64个二进制位)秘钥,按照一定的规则,产生16个子秘钥;第二步是对64位二进制信息单位进行加密。具体过程下面会逐步展示,为了叙述方便,本文将结合具体加密实例进行说明。
首先给出加密过程需要用到的参照表,这些参照表是加密算法提前给定的。笔者给定参照表具体如下列出。








经过上述对DES算法每一步的深入研究分析,在理论上对DES算法的实现有了较为清晰的思路,笔者将依据上述理论分析,在Windows10操作系统下,利用Codeblocks开发环境,采用C++11标准对DES算法进行代码实现。
笔者特别说明,为了简便话,笔者使用随机数来生成算法所需的各个表格,并且在加密和解密过程中用到的密钥相同,参照表格相同。
#include<iostream>
#include<cstdlib>
#include<cstdio>
#include<ctime>
using namespace std;
char plaintext[8];//明文8字符,64位
char key[16];//秘钥,16个16进制数,64位
char ciphertext[16];//密文,16个16进制数,64位
int PC_1[8][7];//64位秘钥转成56位秘钥所用表
int left_move_table[16];//循环左移参照表
int PC_2[8][6];//cidi56位秘钥转成48位秘钥ki所用表
int E_bit_selection_table[8][6];//在f函数执行期间,转换Ri用到的参照表
int IP_1[8][8];//initial permutation ,64位数据第一次变换参照的表
int S[8][4][16];//8个S盒
int sub_key[17][48];//16个子秘钥,k1到k16
int P[8][4];//
int IP_2[8][8];//最后一次变换所参照的表
int L[17][32],R[17][32];//数据加密阶段,产生16对数据块1到16分别存放
void init();//初始化各个参照表
void hex_bin(char x,int tmp[]);//16进制数x转成4位二进制
void bin_hex(int tmp[4],char &c);//4位2进制转16进制,结果存放在字符c中
void char_to_bin(char c,int tmp[]);//把一个ADCII码字符转成2进制8位存储到tmp
void circle_left_move(int a[],int step);//循环左移,这里只有28位的秘钥,左移step位
void make_sub_key();//产生子秘钥
void exclusive_or(int a[],int b[],int n,int result[]);//异或,a数组,b数组表示的两个n位二进制数进行异或
void make_random(int n,int s[]);//产生n个随机数,放在数组a中
void f(int n,int P_end[32]);//得到的f存到P_end数组中
void des();//执行DES算法
void decode();//解密
void go();//程序控制
int main()
{
go();
return 0;
}
//产生n个互不相同的数分别是1-n
void make_random(int n,int s[]){
int a[64];
int index=0;
for(int i=0;i<n;i++){
a[i]=i+1;
}
srand(unsigned(time(0)));//播种子
for(int i=0;i<n;){
index=rand()%n;
if(a[index]!=0){
s[i]=a[index];
a[index]=0;
i++;
}
}
}
void init(){
int s[64];//存放产生的随机数
int cnt=0;
//初始化PC_1表(64位秘钥转56位秘钥参照表)
make_random(64,s);
cnt=0;
for(int i=0;i<8;i++){
for(int j=0;j<7;j++){
PC_1[i][j]=s[cnt++];
}
}
//初始化循环左移表left_move_table
for(int i=0;i<16;i++){
left_move_table[i]=rand()%6+1;//这里假设循环左移1到6位
}
//初始化PC_2表(56位秘钥转48位秘钥参照表)
make_random(48,s);
cnt=0;
for(int i=0;i<8;i++){
for(int j=0;j<6;j++){
PC_2[i][j]=s[cnt++];
}
}
//初始化IP_1表(64位原始数据转成新的64位数据块
make_random(64,s);
cnt=0;
for(int i=0;i<8;i++){
for(int j=0;j<8;j++){
IP_1[i][j]=s[cnt++];
}
}
//初始化E_bit_selection_table,在f函数执行期间对Ri转换下
//32位扩到48位,只能在1-32选取
for(int i=0;i<8;i++){
for(int j=0;j<6;j++){
E_bit_selection_table[i][j]=rand()%32+1;
}
}
//初始化S盒
for(int i=0;i<8;i++){
for(int j=0;j<4;j++){
make_random(16,s);
cnt=0;
for(int k=0;k<16;k++){
s[k]-=1;
}
for(int k=0;k<16;k++){
S[i][j][k]=s[cnt++];
}
}
}
//初始P,8个盒子已经搞完了一遍
make_random(32,s);
cnt=0;
for(int i=0;i<8;i++){
for(int j=0;j<4;j++){
P[i][j]=s[cnt++];
}
}
//初始化最后一个表IP_2
make_random(64,s);
cnt=0;
for(int i=0;i<8;i++){
for(int j=0;j<8;j++){
IP_2[i][j]=s[cnt++];
}
}
}
//一个十六进制数转成4位二进制数
void hex_bin(char x,int tmp[]){
int a,b,c,d;
if('0'==x){a=0;b=0;c=0;d=0;}
else if('1'==x){a=0;b=0;c=0;d=1;}
else if('2'==x){a=0;b=0;c=1;d=0;}
else if('3'==x){a=0;b=0;c=1;d=1;}
else if('4'==x){a=0;b=1;c=0;d=0;}
else if('5'==x){a=0;b=1;c=0;d=1;}
else if('6'==x){a=0;b=1;c=1;d=0;}
else if('7'==x){a=0;b=1;c=1;d=1;}
else if('8'==x){a=1;b=0;c=0;d=0;}
else if('9'==x){a=1;b=0;c=0;d=1;}
else if('a'==x || 'A'==x){a=1;b=0;c=1;d=0;}
else if('b'==x || 'B'==x){a=1;b=0;c=1;d=1;}
else if('c'==x || 'C'==x){a=1;b=1;c=0;d=0;}
else if('d'==x || 'D'==x){a=1;b=1;c=0;d=1;}
else if('e'==x || 'E'==x){a=1;b=1;c=1;d=0;}
else if('f'==x || 'F'==x){a=1;b=1;c=1;d=1;}
tmp[0]=a;tmp[1]=b;tmp[2]=c;tmp[3]=d;
}
void bin_hex(int tmp[4],char &c){
int sum=tmp[0]*8+tmp[1]*4+tmp[2]*2+tmp[3]*1;
if(sum>=0 && sum<=9){
c=sum+'0';
}
else{
if(10==sum) c='a';
else if(11==sum) c='b';
else if(12==sum) c='c';
else if(13==sum) c='d';
else if(14==sum) c='e';
else if(15==sum) c='f';
}
}
//一个字符转成8位二进制数
void char_to_bin(char c,int tmp[]){
int n=(int)c;//把ASCII码字符强制转为整数
int cnt=7;
while(n/2){
tmp[cnt--]=n%2;
n/=2;
}
tmp[cnt]=n;
for(int i=0;i<cnt;i++){
tmp[i]=0;
}
}
//一个数转成4位的二进制数
void number_to_bin(int n,int tmp[]){
int cnt=3;
while(n/2){
tmp[cnt--]=n%2;
n/=2;
}
tmp[cnt]=n;
for(int i=0;i<cnt;i++){
tmp[i]=0;
}
}
void circle_left_move(int a[],int step){
int tmp[28];
int cnt=0;
for(int i=step-1;i<28;i++){
tmp[cnt++]=a[i];
}
for(int i=0;i<step;i++){
tmp[cnt++]=a[i];
}
for(int i=0;i<28;i++){
a[i]=tmp[i];
}
}
void make_sub_key(){
int kkey[64];//把16个16进制的数搞成64个二进制的数,并存储在kkey数组中
int kkey_cnt=0;
//秘钥key中的16个16进制数搞成二进制数共64位存到kkey数组中
for(int i=0;i<16;i++){
int tmp[4];
hex_bin(key[i],tmp);
for(int j=0;j<4;j++){
kkey[kkey_cnt++]=tmp[j];
}
}
int K[56];//原秘钥64位搞成56位放在K里面
int K_cnt=0;
for(int i=0;i<8;i++){
for(int j=0;j<7;j++){
K[K_cnt++]=kkey[PC_1[i][j]-1];//参照表PC_1来搞,把64位搞成56位秘钥
}
}
int c[17][28],d[17][28];
//64位秘钥搞成56位秘钥后,拆成两半,分别给c[0]和d[0]
for(int i=0;i<28;i++){
c[0][i]=K[i];
d[0][i]=K[i+28];
}
//循环左移16次,得到16对ci,di,存到c[17][28],d[17][28]
for(int i=0;i<16;i++){
int tmp_c[28],tmp_d[28];//暂时存储c[i]和d[i]
for(int j=0;j<28;j++){
tmp_c[j]=c[i][j];
tmp_d[j]=d[i][j];
}
//c[i],d[i]都循环左移left_move_table[i]位
circle_left_move(tmp_c,left_move_table[i]);
circle_left_move(tmp_d,left_move_table[i]);
//c[i],d[i]循环左移后,就变成了c[i+1],d[i+1]
for(int j=0;j<28;j++){
c[i+1][j]=tmp_c[j];
d[i+1][j]=tmp_d[j];
}
}
//对16对cidi56位秘钥用PC_2表转成48位秘钥,存到sub_key数组中
for(int i=0;i<16;i++){
int tmp[56];//暂存c[i+1],d[i+1]组成56位秘钥
for(int j=0;j<28;j++){
tmp[j]=c[i+1][j];
tmp[j+28]=d[i+1][j];
}
//56位转成48位
int cnt=0;
for(int j=0;j<8;j++){
for(int k=0;k<6;k++){
sub_key[i+1][cnt++]=tmp[PC_2[j][k]-1];
}
}
}
}
void exclusive_or(int a[],int b[],int n,int result[]){
for(int i=0;i<n;i++){
if(a[i]==b[i]){
result[i]=0;
}
else{
result[i]=1;
}
}
}
void f(int n,int P_end[32]){
int E[48];
int E_cnt=0;
//Ri通过E_bit_selection_table表转换一下,存到E中
for(int i=0;i<8;i++){
for(int j=0;j<6;j++){
E[E_cnt++]=R[n-1][E_bit_selection_table[i][j]-1];
}
}
int tmp_sub_key[48];//暂存sub_key[n],一维数组便于操作
for(int i=0;i<48;i++){
tmp_sub_key[i]=sub_key[n][i];
}
int exclusive_or_result[100];//存放异或结果的数组
exclusive_or(E,tmp_sub_key,48,exclusive_or_result);
//把子秘钥sub_key[i]与E异或后的结果exclusive_or_result,48位拆成8份
//每一份有6位,分别对每一份进行S盒转变
int temp_result[8][6];
int temp_result_cnt=0;
for(int i=0;i<48;i++){
if(i%6==0 && i!=0){
temp_result_cnt++;
}
temp_result[temp_result_cnt][i%6]=exclusive_or_result[i];
}
int row;//是S盒中对应的行
int col;//在S盒中对于的列
int S8_end[32];//8个盒搞完之后的结果
int S8_end_cnt=0;//8个S盒过一遍之后的结果计数
for(int i=0;i<8;i++){
row=temp_result[i][0]*2+temp_result[i][5]*1;
col=temp_result[i][1]*8+temp_result[i][2]*4+temp_result[i][3]*2+temp_result[i][4]*1;
int tmp[4];//每一份6位变成4位后暂存tmp数组中
int number=S[i][row][col];//S盒中对应的那个数
number_to_bin(number,tmp);//S盒中对应的那个数转成二进制,暂存在tmp数组
for(int j=0;j<4;j++){
S8_end[S8_end_cnt++]=tmp[j];
}
}
//8个盒子过一遍之后,经P再搞一下,存到P_end里面,即f
int P_cnt=0;
for(int i=0;i<8;i++){
for(int j=0;j<4;j++){
P_end[P_cnt++]=S8_end[P[i][j]-1];
}
}
}
void des(){
int M[64];
int M_cnt=0;
//先把8个字符转成64位2进制数,存到M数组中
for(int i=0;i<8;i++){
int tmp[8];//存储每一个1字符对应的8位二进制
char_to_bin(plaintext[i],tmp);
for(int j=0;j<8;j++){
M[M_cnt++]=tmp[j];
}
}
int IP[64];//拿到8字符,转成64位二进制数据块后,安装IP_1表搞一下,搞成新的64位,存到IP数组中
int IP_cnt=0;
for(int i=0;i<8;i++){
for(int j=0;j<8;j++){
IP[IP_cnt++]=M[IP_1[i][j]-1];
}
}
//初始化L[0],R[0]为后续f函数准备
for(int i=0;i<32;i++){
L[0][i]=IP[i];
R[0][i]=IP[i+32];
}
//根据Ln=Rn-1,Rn=Ln-1+f(Rn-1,Kn)公式迭代,这里笔者对此公式更加简化如下
//Ln=Rn-1,Rn=f(n-1)
//下面16次循环后,可以求出L16,R16
for(int i=1;i<=16;i++){
for(int j=0;j<32;j++){
L[i][j]=R[i-1][j];//Ln=Rn-1
}
int P_end[32];
f(i,P_end);//Rn=f(n)+Ln-1,这里求出了f,下面异或下产生Rn
int L_tmp[32];
for(int j=0;j<32;j++){
L_tmp[j]=L[i-1][j];//这里开始还是写错了L_tmp[j]的j写成了i,这一点导致了极大的错误,加密和解密求的f全然不同,导致所有的L,R都不同
}
exclusive_or(P_end,L_tmp,32,P_end);
//上面异或的结果就是Rn
for(int j=0;j<32;j++){
R[i][j]=P_end[j];
}//至此,由f(n-1)终于求出了Rn
}
//求出的R16L16暂存在R16L16的数组中
int R16L16[64];
for(int i=0;i<32;i++){
R16L16[i]=R[16][i];
R16L16[i+32]=L[16][i];
}
int goal[64];//R16L16再过一遍IP_2
int goal_cnt=0;
for(int i=0;i<8;i++){
for(int j=0;j<8;j++){
goal[goal_cnt++]=R16L16[IP_2[i][j]-1];
}
}
//把得到的64位二进制转成16个16进制数
int tmp_goal[4];
char c;
int ciphertext_cnt=0;
for(int i=0;i<64;i++){
tmp_goal[i%4]=goal[i];
if((i+1)%4==0){
bin_hex(tmp_goal,c);
ciphertext[ciphertext_cnt++]=c;
}
}
}
//对加密之后的密文解密
void decode(){
//61个16进制数的密文先搞成64位,存到tmp1
int tmp1[64];
int tmp1_cnt=0;
for(int i=0;i<16;i++){
int tmp[4];//把一个16进制数转成4位的二进制数,存到tmp中
hex_bin(ciphertext[i],tmp);
for(int j=0;j<4;j++){
tmp1[tmp1_cnt++]=tmp[j];
}
}
//继续解密,先搞出R16L16
tmp1_cnt=0;
int R16L16[64];
for(int i=0;i<8;i++){
for(int j=0;j<8;j++){
R16L16[IP_2[i][j]-1]=tmp1[tmp1_cnt++];
}
}
//为了不定义更多的变量,下面求解过程中依然用加密过程中用到的变量
for(int i=0;i<32;i++){
R[16][i]=R16L16[i];
L[16][i]=R16L16[i+32];
}
//经过16次f函数迭代,求L0,R0
for(int i=16;i>=1;i--){
for(int j=0;j<32;j++){
R[i-1][j]=L[i][j];
}
int P_end[32];
f(i,P_end);
int R_tmp[32];
for(int j=0;j<32;j++){
R_tmp[j]=R[i][j];
}
exclusive_or(R_tmp,P_end,32,P_end);
for(int j=0;j<32;j++){
L[i-1][j]=P_end[j];
}
}
int L0R0[64];
for(int i=0;i<32;i++){
L0R0[i]=L[0][i];
L0R0[i+32]=R[0][i];
}
//求出起初的明文64位二进制表示,存到M数组
int M[64];//
int L0R0_cnt=0;
for(int i=0;i<8;i++){
for(int j=0;j<8;j++){
M[IP_1[i][j]-1]=L0R0[L0R0_cnt++];//这里有问题,看看!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
}
}
//把64位的M转成8个字符,并输出明文
int tmp_last[8][8];
int tmp_last_cnt=0;
//64位拆成8等份
for(int i=0;i<64;i++){
if(i%8==0 && i!=0){
tmp_last_cnt++;
}
tmp_last[tmp_last_cnt][i%8]=M[i];
}
int mark[8]={128,64,32,16,8,4,2,1};
for(int i=0;i<8;i++){
int x=0;
for(int j=0;j<8;j++){
x+=mark[j]*tmp_last[i][j];
}
plaintext[i]=(char)x;
}
}
void go(){
FILE *fp_plaintext;
FILE *fp_ciphertext;
FILE *fp_decode_text;
FILE *fp_key;
fp_plaintext=fopen("plaintext.txt","r");
fp_ciphertext=fopen("ciphertext.txt","w");
fp_decode_text=fopen("decode_text.txt","w");
fp_key=fopen("key.txt","r");
char c;
init();
int key_cnt=0;
while((c=fgetc(fp_key))!=EOF){
key[key_cnt++]=c;
}
make_sub_key();
int cnt=0;
int sum=0;
while((c=fgetc(fp_plaintext))!=EOF){
plaintext[cnt%8]=c;
cnt++;
sum++;
if(cnt%8==0 && cnt!=0 && sum==8){
des();
for(int i=0;i<8;i++){
fputc(ciphertext[i],fp_ciphertext);
}
decode();//解密
for(int i=0;i<8;i++){
fputc(plaintext[i],fp_decode_text);
}
sum=0;
}
}
if(sum!=0){
for(int i=sum;i<8;i++){
plaintext[i]='0';//不够8位填充0
}
des();
for(int i=0;i<8;i++){
fputc(ciphertext[i],fp_ciphertext);
}
decode();//解密
for(int i=0;i<8;i++){
fputc(plaintext[i],fp_decode_text);
}
}
fclose(fp_plaintext);
fclose(fp_ciphertext);
fclose(fp_decode_text);
fclose(fp_key);
}
4 实验测试
笔者将使用上述代码进行实验测试。使用文件读写方式,plaintext.txt文件存放待加密的数据,ciphertext.txt文件存放加密好的数据,key.txt文件存放16位16进制数组成的秘钥,decode_text.txt文件存放经加密再解密的数据。由于本算法实现过程中,加密解密用到的参照表及秘钥完全一样,可以通过对比plaintext.txt文件和decode_text.txt文件内容,如果一致,可以在一定程度上说明算法的正确性。
(1)plaintext.txt文件中的待加密数据如下:
I am a student from CCNU.
I love coding!
Hello, Wolrd!
!!!!!!!!!
(2)key.txt文件中的秘钥如下:
1234569870abcdef
(3)程序运行之后,ciphertext.txt文件中的数据如下:
5ff508a138d8a0f826ae29f6c9b80ad4fefdebf88062bd1574f648693a63c2e5
(4)程序运行之后,decode_text.txt文件内容如下:
I am a student from CCNU.
I love coding!
Hello, Wolrd!
!!!!!!!!!
对比plaintext.txt文件和decode_text.txt文件内容,完全一致,这表明原始数据和加密后再解密的数据一致,可以在一定程度上说明算法的正确性。
本文介绍了一种使用C++实现的DES加密算法,并通过实际案例验证了其正确性。该算法涉及复杂的秘钥生成和数据加密流程,最终实现了对文本的有效加密与解密。
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