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DES算法详解及实现(C语言)

2023-04-27

其他现代密码学算法详解及实现见专栏合集~DES算法原理加密过程(i)算法结构概述:将明文分为64位的分组,首先对64位码做初始IP置换,再进行16论迭代变换,其中包括ESP三种运算,最后进行逆初始置换。1.初始置换IP将64个明文位的位置进行置换,得到一个乱序的64位明文组,然后分成左右两端,每段位

其他现代密码学算法详解及实现见专栏合集~

DES算法原理

  • 加密过程

(i)算法结构

概述:将明文分为64位的分组,首先对64位码做初始IP置换,再进行16论迭代变换,其中包括ESP三种运算,最后进行逆初始置换。

1.初始置换IP

将64个明文位的位置进行置换,得到一个乱序的64位明文组,然后分成左右两端,每段位32位,左边用L0表示,右边用R0表示,并将R0送入迭代变换。

2. 迭代变换F

I.选择扩展运算E

(为了和48位的密钥运算而扩展)

四字节一组,组前位=上组最后一位,组后位=下组的第一位。

II.密钥加密运算

将子密钥产生器产生的48位子密钥k与选择扩展运算E输出的48位数据按位做异或运算。

III.选择压缩运算S(S盒)

(实现非线性混淆,增加明文空间复杂度,因为密文需要是64位,所以必须压缩回32位)

将加密过后的48位数据自左向右分成8组,每组6位。然后并行送入8个S盒,每个S盒为一个非线性代换网络。6进4出,头尾两位的二进制->行数,中间四位的二进制->列数,找到其在S盒中对应的数字,即结果。

IV.置换运算P(P盒)

(为了扩散,使明文和密钥的影响迅速扩散到密文中,增加密文密钥空间复杂度)

置换运算P对S输出的32位进行坐标变换,置换P输出的32位数据与左边的L0做异或,得到的R1作为下一轮的右边数据使用。即:

RpL0=L1

3.逆初始置换IP

16轮迭代后,将左32位和右32位交换次序,得到R16L16,拼在一起得到64位的数据,经过逆初始置换表置换,按行读数,得到密文。

(ii)混淆的效果

通过S盒实现非线性变换混淆,研究中并没有找到S盒的弱点。

  • 密钥生成过程

注:子密钥产生器:

首先有一个64位的种子密钥,放入PC-1置换后,去除8位校验位得到56位的数据。分成左右两个部分,左边的位C0,右边的为D0。

C0,D0经过移位次序表移位后,得到C1,D1,放入PC-2置换后,得到一48bit的k1。PC-2本身会去除C中第9,18,22,25位,和D中第7,9,15,26位,剩下48位。

k1作为第一轮的子密钥输出,C1,D1再根据移位次序表移位得到C2,D2,并得到k2,以此类推。

  • 算法设计的目标

(i)混淆

迭代8次之后输出和输入就可以认为是不相关的了。S盒实现了非线性变换混淆。

(ii)雪崩效应

DES具有很强的雪崩效应,仅有一位不同的明文,使用相同的密钥,仅仅经过三轮迭代,所的两段准密文就有过半数位不同。

  • 主要参数

64位分组-分组加密

56位:256

  • 改进算法

3DES算法:

使用三(或两)个不同的密钥对数据块进行三次(或两次)加密,加密一次要比进行普通加密的三次要快。

三重DES的强度大约和112-bit的密钥强度相当。

代码实现

  1. #include<stdio.h>
  2. #include<string.h>
  3. #include<stdlib.h>
  4. /*------------------------
  5. 定义枚举型全局变量
  6. ------------------------*/
  7. typedef enum
  8. {
  9. false = 0,
  10. true = 1
  11. } bool;
  12. // 十六轮子密钥
  13. static bool SubKey[16][48] = {0};
  14. /*---------------------*/
  15. /*-------------------------------------------------------------
  16. 各种置换表
  17. -------------------------------------------------------------*/
  18. // IP置换表
  19. const char IP_Table[64] = {
  20. 58,50,42,34,26,18,10, 2,60,52,44,36,28,20,12, 4,
  21. 62,54,46,38,30,22,14, 6,64,56,48,40,32,24,16, 8,
  22. 57,49,41,33,25,17, 9, 1,59,51,43,35,27,19,11, 3,
  23. 61,53,45,37,29,21,13, 5,63,55,47,39,31,23,15, 7
  24. };
  25. // IP-1置换表
  26. const char IPR_Table[64] = {
  27. 40, 8,48,16,56,24,64,32,39, 7,47,15,55,23,63,31,
  28. 38, 6,46,14,54,22,62,30,37, 5,45,13,53,21,61,29,
  29. 36, 4,44,12,52,20,60,28,35, 3,43,11,51,19,59,27,
  30. 34, 2,42,10,50,18,58,26,33, 1,41, 9,49,17,57,25
  31. };
  32. // E扩展表
  33. static char E_Table[48] = {
  34. 32, 1, 2, 3, 4, 5, 4, 5, 6, 7, 8, 9,
  35. 8, 9,10,11,12,13,12,13,14,15,16,17,
  36. 16,17,18,19,20,21,20,21,22,23,24,25,
  37. 24,25,26,27,28,29,28,29,30,31,32, 1
  38. };
  39. // PC1置换表
  40. static char PC1_Table[56] = {
  41. 57,49,41,33,25,17, 9, 1,58,50,42,34,26,18,
  42. 10, 2,59,51,43,35,27,19,11, 3,60,52,44,36,
  43. 63,55,47,39,31,23,15, 7,62,54,46,38,30,22,
  44. 14, 6,61,53,45,37,29,21,13, 5,28,20,12, 4
  45. };
  46. // pc2表
  47. static char PC2_Table[48] = {
  48. 14,17,11,24, 1, 5, 3,28,15, 6,21,10,
  49. 23,19,12, 4,26, 8,16, 7,27,20,13, 2,
  50. 41,52,31,37,47,55,30,40,51,34,33,48,
  51. 44,49,39,56,34,53,46,42,50,36,29,32
  52. };
  53. // 移位表
  54. static char Move_Table[16] = {
  55. 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1
  56. };
  57. // S盒
  58. static char S_Box[8][4][16] = {
  59. //S1
  60. 14, 4,13, 1, 2,15,11, 8, 3,10, 6,12, 5, 9, 0, 7,
  61. 0,15, 7, 4,14, 2,13, 1,10, 6,12,11, 9, 5, 3, 8,
  62. 4, 1,14, 8,13, 6, 2,11,15,12, 9, 7, 3,10, 5, 0,
  63. 15,12, 8, 2, 4, 9, 1, 7, 5,11, 3,14,10, 0, 6,13,
  64. //S2
  65. 15, 1, 8,14, 6,11, 3, 4, 9, 7, 2,13,12, 0, 5,10,
  66. 3,13, 4, 7,15, 2, 8,14,12, 0, 1,10, 6, 9,11, 5,
  67. 0,14, 7,11,10, 4,13, 1, 5, 8,12, 6, 9, 3, 2,15,
  68. 13, 8,10, 1, 3,15, 4, 2,11, 6, 7,12, 0, 5,14, 9,
  69. //S3
  70. 10, 0, 9,14, 6, 3,15, 5, 1,13,12, 7,11, 4, 2, 8,
  71. 13, 7, 0, 9, 3, 4, 6,10, 2, 8, 5,14,12,11,15, 1,
  72. 13, 6, 4, 9, 8,15, 3, 0,11, 1, 2,12, 5,10,14, 7,
  73. 1,10,13, 0, 6, 9, 8, 7, 4,15,14, 3,11, 5, 2,12,
  74. //S4
  75. 7,13,14, 3, 0, 6, 9,10, 1, 2, 8, 5,11,12, 4,15,
  76. 13, 8,11, 5, 6,15, 0, 3, 4, 7, 2,12, 1,10,14, 9,
  77. 10, 6, 9, 0,12,11, 7,13,15, 1, 3,14, 5, 2, 8, 4,
  78. 3,15, 0, 6,10, 1,13, 8, 9, 4, 5,11,12, 7, 2,14,
  79. //S5
  80. 2,12, 4, 1, 7,10,11, 6, 8, 5, 3,15,13, 0,14, 9,
  81. 14,11, 2,12, 4, 7,13, 1, 5, 0,15,10, 3, 9, 8, 6,
  82. 4, 2, 1,11,10,13, 7, 8,15, 9,12, 5, 6, 3, 0,14,
  83. 11, 8,12, 7, 1,14, 2,13, 6,15, 0, 9,10, 4, 5, 3,
  84. //S6
  85. 12, 1,10,15, 9, 2, 6, 8, 0,13, 3, 4,14, 7, 5,11,
  86. 10,15, 4, 2, 7,12, 0, 5, 6, 1,13,14, 0,11, 3, 8,
  87. 9,14,15, 5, 2, 8,12, 3, 7, 0, 4,10, 1,13,11, 6,
  88. 4, 3, 2,12, 9, 5,15,10,11,14, 1, 7, 6, 0, 8,13,
  89. //S7
  90. 4,11, 2,14,15, 0, 8,13, 3,12, 9, 7, 5,10, 6, 1,
  91. 13, 0,11, 7, 4, 0, 1,10,14, 3, 5,12, 2,15, 8, 6,
  92. 1, 4,11,13,12, 3, 7,14,10,15, 6, 8, 0, 5, 9, 2,
  93. 6,11,13, 8, 1, 4,10, 7, 9, 5, 0,15,14, 2, 3,12,
  94. //S8
  95. 13, 2, 8, 4, 6,15,11, 1,10, 9, 3,14, 5, 0,12, 7,
  96. 1,15,13, 8,10, 3, 7, 4,12, 5, 6,11, 0,14, 9, 2,
  97. 7,11, 4, 1, 9,12,14, 2, 0, 6,10,13,15, 3, 5, 8,
  98. 2, 1,14, 7, 4,10, 8,13,15,12, 9, 0, 3, 5, 6,11
  99. };
  100. //P置换表
  101. static char P_Table[32] = {
  102. 16, 7,20,21,29,12,28,17, 1,15,23,26, 5,18,31,10,
  103. 2, 8,24,14,32,27, 3, 9,19,13,30, 6,22,11, 4,25
  104. };
  105. /*-------------------------------------------------------------------*/
  106. /*-----------------------------自定义函数-----------------------------*/
  107. void SetKey(char My_key[8]); //生成16轮的子密钥;
  108. void ByteToBit(bool* Data_out, char* Data_in, int Num); //字节转换成位;
  109. void Change_bit(bool* Data_out, int Num);//二进制的位置进行转换;
  110. void BitToByte(char My_message[8], bool* Message_in, int Num); //位转换成字节;
  111. void TableReplace(bool* Data_out, bool* Data_in, const char* Table, int Num); //各种表的置换算法;
  112. void Bitcopy(bool* Data_out, bool* Data_in, int Num); //二进制数组的拷贝
  113. void Loop_bit(bool* Data_out, int movstep, int len); //左移位;
  114. void Run_Des(char My_message[8], char HexMssage[16]);//des的轮加密算法
  115. void Xor(bool* Message_out, bool* Message_in, int Num); //执行异或
  116. void S_change(bool* Data_out, bool* Data_in); // S盒变换;
  117. void HexToBit(bool* Data_out, char* Data_in, int Num); // 十六进制转二进制
  118. void BitToHex(char* Data_out, bool* Data_in, int Num); //二进制转换成十六进制;
  119. void Run_desDes(char My_message[8], char HexMessage[16]);// DES轮解密算法;
  120. /*--------------------------*/
  121. /*--------------------------主函数----------------------------------*/
  122. int main()
  123. {
  124. int i = 0, j;
  125. char My_key[8] = {0}; //记录加密密钥;
  126. char You_key[8] = {0}; //解密密钥
  127. char My_message[8] = {0}; //明文
  128. char Message_hex[16] = {0};//16进制的密文
  129. printf("请输入你要加密的内容(8 Byte):\n");
  130. gets(My_message);
  131. printf("请输入你的加密密钥:\n");
  132. gets(My_key);
  133. i = strlen(My_key);
  134. while(i != 8)
  135. {
  136. printf("请输入加密密钥(8 Byte)\n");
  137. gets(My_key);
  138. i = 0;
  139. i = strlen(My_key);
  140. }
  141. SetKey(My_key); //生成16轮的加密子密钥;
  142. Run_Des(My_message, Message_hex); //des的轮加密过程
  143. printf("经过加密的密文为:\n");
  144. for(i = 0; i < 16; i++)
  145. {
  146. printf("%c ", Message_hex[i]);
  147. }
  148. printf("\n");
  149. printf("请输入你的解密密钥(8 Byte):\n");
  150. gets(You_key);
  151. i = strlen(You_key);
  152. while(i != 8)
  153. {
  154. printf("请输入解密密钥(8 Byte)\n");
  155. gets(You_key);
  156. i = 0;
  157. i = strlen(You_key);
  158. }
  159. SetKey(You_key); //生成16轮的解密子密钥;
  160. Run_desDes(My_message, Message_hex);//解密;
  161. printf("解密结果为:\n");
  162. for(i = 0; i < 8; i++)
  163. {
  164. printf("%c ", My_message[i]);
  165. }
  166. printf("\n");
  167. return 0;
  168. }
  169. /*--------------------具体函数定义----------------------*/
  170. void Bitcopy(bool* Data_out, bool* Data_in, int Num) //二进制数组拷贝
  171. {
  172. int i = 0;
  173. for(i = 0; i < Num; i++)
  174. {
  175. Data_out[i] = Data_in[i];
  176. }
  177. }
  178. void Change_bit(bool* Data_out, int Num) //二进制的位置进行转换;
  179. {
  180. int i, j;
  181. static bool Temp[8] = {0};
  182. for(i = 0; i < Num / 8; i++)
  183. {
  184. Bitcopy(Temp, Data_out, Num / 8);
  185. for(j = 0; j < Num / 8; j++)
  186. {
  187. Data_out[j] = Temp[Num / 8 - 1 - j];
  188. }
  189. Data_out += Num / 8;
  190. }
  191. }
  192. void ByteToBit(bool* Data_out, char* Data_in, int Num) //字节转位
  193. {
  194. int i, j;
  195. for(i = 0; i < Num; i++)
  196. {
  197. Data_out[i] = (Data_in[i / 8] >> (i % 8)) & 0x01;
  198. }
  199. //Change_bit(Data_out,Num);
  200. }
  201. void BitToHex(char* Data_out, bool* Data_in, int Num) //二进制转十六进制
  202. {
  203. int i;
  204. for(i = 0; i < Num / 4; i++)
  205. {
  206. Data_out[i] = 0;
  207. }
  208. for(i = 0; i < Num / 4; i++)
  209. {
  210. Data_out[i] = Data_in[4 * i] + Data_in[4 * i + 1] * 2 + Data_in[4 * i + 2] * 4 + Data_in[4 * i + 3] * 8;
  211. if(Data_out[i] % 16 > 9)
  212. {
  213. Data_out[i] = Data_out[i] % 16 + '7';
  214. }
  215. else
  216. Data_out[i] = Data_out[i] % 16 + '0';
  217. }
  218. }
  219. void HexToBit(bool* Data_out, char* Data_in, int Num) //十六进制转二进制
  220. {
  221. int i;
  222. for(i = 0; i < Num; i++)
  223. {
  224. if(Data_in[i / 4] <= '9')
  225. {
  226. Data_out[i] = ((Data_in[i / 4] - '0') >> (i % 4)) & 0x01;
  227. }
  228. else
  229. {
  230. Data_out[i] = ((Data_in[i / 4] - '7') >> (i % 4)) & 0x01;
  231. }
  232. }
  233. }
  234. void BitToByte(char My_message[8], bool* Message_in, int Num) //位转换成字节
  235. {
  236. int i = 0;
  237. for(i = 0; i < (Num / 8); i++)
  238. {
  239. My_message[i] = 0;
  240. }
  241. for(i = 0; i < Num; i++)
  242. {
  243. My_message[i / 8] |= Message_in[i] << (i % 8);
  244. }
  245. }
  246. void TableReplace(bool* Data_out, bool* Data_in, const char* Table, int Num) // 置换算法
  247. {
  248. int i = 0;
  249. static bool Temp[256] = {0};
  250. for(i = 0; i < Num; i++)
  251. {
  252. Temp[i] = Data_in[Table[i] - 1];
  253. }
  254. Bitcopy(Data_out, Temp, Num);
  255. }
  256. void Loop_bit(bool* Data_out, int movstep, int len)
  257. {
  258. static bool Temp[256] = {0};
  259. Bitcopy(Temp, Data_out, movstep);
  260. Bitcopy(Data_out, Data_out + movstep, len - movstep);
  261. Bitcopy(Data_out + len - movstep, Temp, movstep);
  262. /*Temp=Data_out;
  263. Temp[movstep]='\0';
  264. Data_out=Data_out+movstep;
  265. Data_out+(len-movstep)=Temp;*/
  266. }
  267. void Xor(bool* Message_out, bool* Message_in, int Num)//执行异或
  268. {
  269. int i;
  270. for(i = 0; i < Num; i++)
  271. {
  272. Message_out[i] = Message_out[i] ^ Message_in[i];
  273. }
  274. }
  275. void SetKey(char My_key[8])
  276. {
  277. int i, j;
  278. static bool Key_bit[64] = {0}; //Key的二进制缓存;
  279. static bool* Key_bit_L, * Key_bit_R;
  280. Key_bit_L = &Key_bit[0]; //key的左边28位;
  281. Key_bit_R = &Key_bit[28]; //key的右边28位;
  282. ByteToBit(Key_bit, My_key, 64);
  283. /* Change_bit(Key_bit,64) ;//二进制的位置进行转换;
  284. for(i=0;i<64;i++)
  285. {
  286. printf("%d ",Key_bit[i]);
  287. }
  288. printf("\n");
  289. printf("\n");*/
  290. TableReplace(Key_bit, Key_bit, PC1_Table, 56);//pc-1 置换
  291. for(i = 0; i < 16; i++)
  292. {
  293. Loop_bit(Key_bit_L, Move_Table[i], 28);
  294. Loop_bit(Key_bit_R, Move_Table[i], 28);
  295. TableReplace(SubKey[i], Key_bit, PC2_Table, 48);//pc-2置换
  296. }
  297. }
  298. void S_change(bool* Data_out, bool* Data_in) //S盒变换
  299. {
  300. int i;
  301. int r = 0, c = 0;//S盒的行和列;
  302. for(i = 0; i < 8; i++, Data_in = Data_in + 6, Data_out = Data_out + 4)
  303. {
  304. r = Data_in[0] * 2 + Data_in[5] * 1;
  305. c = Data_in[1] * 8 + Data_in[2] * 4 + Data_in[3] * 2 + Data_in[4] * 1;
  306. ByteToBit(Data_out, &S_Box[i][r][c], 4);
  307. }
  308. }
  309. void F_change(bool Data_out[32], bool Data_in[48]) // f函数;
  310. {
  311. int i;
  312. static bool Message_E[48] = {0}; //存放E置换的结果;
  313. TableReplace(Message_E, Data_out, E_Table, 48);//E表置换
  314. Xor(Message_E, Data_in, 48);
  315. S_change(Data_out, Message_E); // S盒变换
  316. TableReplace(Data_out, Data_out, P_Table, 32); //P置换
  317. }
  318. void Run_Des(char My_message[8], char HexMssage[16])//des轮加密算法;
  319. {
  320. int i;
  321. static bool Message_bit[64] = {0};
  322. static bool* Message_bit_L = &Message_bit[0], * Message_bit_R = &Message_bit[32];
  323. static bool Temp[32] = {0};
  324. ByteToBit(Message_bit, My_message, 64);
  325. /*Change_bit(Message_bit,64) ;//二进制的位置进行转换;
  326. for(i=0;i<64;i++)
  327. {
  328. printf("%d ",Message_bit[i]);
  329. }
  330. printf("\n");
  331. printf("\n");*/
  332. TableReplace(Message_bit, Message_bit, IP_Table, 64);
  333. for(i = 0; i < 16; i++)
  334. {
  335. Bitcopy(Temp, Message_bit_R, 32);
  336. F_change(Message_bit_R, SubKey[i]);
  337. Xor(Message_bit_R, Message_bit_L, 32);
  338. Bitcopy(Message_bit_L, Temp, 32);
  339. }
  340. TableReplace(Message_bit, Message_bit, IPR_Table, 64);
  341. BitToHex(HexMssage, Message_bit, 64);//二进制转换成十六进制;
  342. }
  343. void Run_desDes(char My_message[8], char HexMessage[16])// DES轮解密算法;
  344. {
  345. int i = 0;
  346. static bool Message_bit[64] = {0};
  347. static bool* Message_bit_L = &Message_bit[0], * Message_bit_R = &Message_bit[32];
  348. static bool Temp[32] = {0};
  349. HexToBit(Message_bit, HexMessage, 64);
  350. TableReplace(Message_bit, Message_bit, IP_Table, 64);
  351. for(i = 15; i >= 0; i--)
  352. {
  353. Bitcopy(Temp, Message_bit_L, 32);
  354. F_change(Message_bit_L, SubKey[i]);
  355. Xor(Message_bit_L, Message_bit_R, 32);
  356. Bitcopy(Message_bit_R, Temp, 32);
  357. }
  358. TableReplace(Message_bit, Message_bit, IPR_Table, 64);
  359. BitToByte(My_message, Message_bit, 64);
  360. }

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