DES加解密算法Qt实现

这篇博客介绍了如何在Qt环境下实现DES加解密算法,包括算法的原理、流程和具体实现。内容涵盖了DES的块密码特性、56位密钥长度、16轮迭代过程,以及关键的F函数和密钥调度过程。此外,还提到了DES的不同工作模式如ECB、CBC、CFB和OFB,以及文件加密的注意事项。

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【声明】

(1) 本文源码

大部分源码来自:DES算法代码。在此基础上,利用Qt编程进行了改写,实现了DES加解密算法,并添加了文件加解密功能。在此对署名为bengold1979的网友表示感谢!本文是对DES算法代码一文代码的具体描述。该源码仅供学习交流,请勿用于商业目的。

(2) 图片及描述

图片及部分解析来自

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B3%87%E6%96%99%E5%8A%A0%E5%AF%86%E6%A8%99%E6%BA%96

 

【简介】

DES(Data Encryption Standard,资料加密标准),是一种使用密钥加密的块密码,1976年被美国联邦政府的国家标准局确定为联邦资料处理标准(FIPS),随后在国际上广泛流传开来。它基于使用56位密钥的对称算法。与其它块密码相似,DES自身并不是加密的实用手段,而必须以某种工作模式进行实际操作。FIPS-81确定了DES使用的几种模式[32] 。FIPS-74包括了更多关于DES使用的讨论。

 

【算法描述】

DES是一种典型的块密码—一种将固定长度的平文通过一系列复杂的操作变成同样长度的密文的算法。对DES而言,块长度为64位。同时,DES使用密钥来自定义变换过程,因此算法认为只有持有加密所用的密钥的用户才能解密密文。密钥表面上是64位的,然而只有其中的56位被实际用于算法,其余8位可以被用于奇偶校验,并在算法中被丢弃。因此,DES的有效密钥长度为56位,通常称DES的密钥长度为56位。
DES算法整体结构图,如图1所示:

 

图1 DES整体结构图

有16个相同的处理过程,称为“回次”(round),并在首位各有一次置换,称为IP与FP(或称IP-1,FP为IP的反函数吗,即IP“撤销”FP的操作,反之亦然)。IP和FP几乎没有密码学上的重要性,为了在1970年代中期的硬件上简化输入输出数据库的过程而被显式的包括在标准中。
在主处理回次前,数据块被分成两个32位的半块,并被分别处理;这种交叉的方式被称为费斯妥结构。费斯妥结构保证了加密和解密过程足够相似—唯一的区别在于子密钥在解密时是以反向的顺序应用的,而剩余部分均相同。这样的设计大大简化了算法的实现,尤其是硬件实现,因为没有区分加密和解密算法的需要。
图中的⊕符号代表异或(XOR)操作。“F函数”将数据半块与某个子密钥进行处理。然后,一个F函数的输出与另一个半块异或之后,再与原本的半块组合并交换顺序,进入下一个回次的处理。在最后一个回次完成时,两个半块不必交换顺序,这是费斯妥结构的一个特点,以保证加解密的过程相似。

 

【算法解析】

 1 常量定义
下述定义,实际上是一个矢量,而非矩阵。详细请参考:

http://zh.wikipedia.org/wiki/DES%E8%A1%A5%E5%85%85%E6%9D%90%E6%96%99#.E9.80.89.E6.8B.A9.E7.BD.AE.E6.8D.A22.28PC-2.29

IP表

const int DES::IP_Table[] =
{
    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,
};
// final permutation IP^-1
const int DES::IPR_Table[] =
{
    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
};


Expand Array

const int DES::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转换表

const int DES::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表

const int DES::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,
    63,55,47,39,31,33,15,
    7,62,54,46,38,30,22,
    14,6,61,53,45,37,29,
    21,13,5,28,20,12,4
};


PC2表

const int DES::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
};


循环移位表

const int DES::LOOP_Table[16] =
{
    1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1
};


S-Box

const int DES::S_Box[8][4][16] =
{
    {
        {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}
    },
    {
        {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}
    },
    {
        {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
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