DES算法详解及实现（C语言）

DES算法详解及C语言实现

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淡蓝色的愿望

20230人浏览 · 2022-02-23 17:44:42

淡蓝色的愿望 · 2022-02-23 17:44:42 发布

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：

Rp⊕L0=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

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
/*------------------------
     定义枚举型全局变量
------------------------*/
typedef enum
{
    false = 0,
    true = 1
} bool;

// 十六轮子密钥
static bool SubKey[16][48] = {0};

/*---------------------*/
/*-------------------------------------------------------------
     各种置换表
-------------------------------------------------------------*/
// IP置换表
const 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
};
// IP-1置换表
const 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扩展表
static 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
};
// PC1置换表
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表
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,
 41,52,31,37,47,55,30,40,51,34,33,48,
 44,49,39,56,34,53,46,42,50,36,29,32
};
//  移位表
static char Move_Table[16] = {
  1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1
};
// S盒
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, 0, 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, 0, 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置换表
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
};
/*-------------------------------------------------------------------*/

/*-----------------------------自定义函数-----------------------------*/
void SetKey(char My_key[8]); //生成16轮的子密钥；
void ByteToBit(bool* Data_out, char* Data_in, int Num); //字节转换成位；
void Change_bit(bool* Data_out, int Num);//二进制的位置进行转换；
void BitToByte(char My_message[8], bool* Message_in, int Num); //位转换成字节；
void TableReplace(bool* Data_out, bool* Data_in, const char* Table, int Num);  //各种表的置换算法；
void Bitcopy(bool* Data_out, bool* Data_in, int Num);  //二进制数组的拷贝
void Loop_bit(bool* Data_out, int movstep, int len);  //左移位；
void Run_Des(char My_message[8], char HexMssage[16]);//des的轮加密算法
void Xor(bool* Message_out, bool* Message_in, int Num); //执行异或
void S_change(bool* Data_out, bool* Data_in);  // S盒变换；
void HexToBit(bool* Data_out, char* Data_in, int Num); // 十六进制转二进制
void BitToHex(char* Data_out, bool* Data_in, int Num); //二进制转换成十六进制；
void Run_desDes(char My_message[8], char HexMessage[16]);// DES轮解密算法；

/*--------------------------*/

/*--------------------------主函数----------------------------------*/
int main()
{
    int i = 0, j;
    char My_key[8] = {0};  //记录加密密钥；
    char You_key[8] = {0}; //解密密钥
    char My_message[8] = {0}; //明文
    char Message_hex[16] = {0};//16进制的密文
    printf("请输入你要加密的内容(8 Byte):\n");
    gets(My_message);
    printf("请输入你的加密密钥:\n");
    gets(My_key);
    i = strlen(My_key);
    while(i != 8)
    {
        printf("请输入加密密钥(8 Byte)\n");
        gets(My_key);
        i = 0;
        i = strlen(My_key);
    }
    SetKey(My_key);  //生成16轮的加密子密钥；
    Run_Des(My_message, Message_hex); //des的轮加密过程
    printf("经过加密的密文为:\n");
    for(i = 0; i < 16; i++)
    {
        printf("%c ", Message_hex[i]);
    }
    printf("\n");
    printf("请输入你的解密密钥(8 Byte):\n");
    gets(You_key);
    i = strlen(You_key);
    while(i != 8)
    {
        printf("请输入解密密钥(8 Byte)\n");
        gets(You_key);
        i = 0;
        i = strlen(You_key);
    }
    SetKey(You_key);  //生成16轮的解密子密钥；
    Run_desDes(My_message, Message_hex);//解密;
    printf("解密结果为:\n");
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        printf("%c ", My_message[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

/*--------------------具体函数定义----------------------*/
void Bitcopy(bool* Data_out, bool* Data_in, int Num) //二进制数组拷贝
{
    int i = 0;
    for(i = 0; i < Num; i++)
    {
        Data_out[i] = Data_in[i];
    }

}
void Change_bit(bool* Data_out, int Num) //二进制的位置进行转换；
{
    int i, j;
    static bool Temp[8] = {0};
    for(i = 0; i < Num / 8; i++)
    {
        Bitcopy(Temp, Data_out, Num / 8);
        for(j = 0; j < Num / 8; j++)
        {
            Data_out[j] = Temp[Num / 8 - 1 - j];
        }
        Data_out += Num / 8;
    }
}
void ByteToBit(bool* Data_out, char* Data_in, int Num) //字节转位
{
    int i, j;
    for(i = 0; i < Num; i++)
    {
        Data_out[i] = (Data_in[i / 8] >> (i % 8)) & 0x01;
    }
    //Change_bit(Data_out,Num);
}
void BitToHex(char* Data_out, bool* Data_in, int Num) //二进制转十六进制
{
    int i;
    for(i = 0; i < Num / 4; i++)
    {
        Data_out[i] = 0;
    }
    for(i = 0; i < Num / 4; i++)
    {
        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;
        if(Data_out[i] % 16 > 9)
        {
            Data_out[i] = Data_out[i] % 16 + '7';
        }
        else
            Data_out[i] = Data_out[i] % 16 + '0';
    }
}
void HexToBit(bool* Data_out, char* Data_in, int Num) //十六进制转二进制
{
    int i;
    for(i = 0; i < Num; i++)
    {
        if(Data_in[i / 4] <= '9')
        {
            Data_out[i] = ((Data_in[i / 4] - '0') >> (i % 4)) & 0x01;
        }
        else
        {
            Data_out[i] = ((Data_in[i / 4] - '7') >> (i % 4)) & 0x01;
        }
    }
}
void BitToByte(char My_message[8], bool* Message_in, int Num) //位转换成字节
{
    int i = 0;
    for(i = 0; i < (Num / 8); i++)
    {
        My_message[i] = 0;
    }
    for(i = 0; i < Num; i++)
    {
        My_message[i / 8] |= Message_in[i] << (i % 8);
    }
}
void TableReplace(bool* Data_out, bool* Data_in, const char* Table, int Num) // 置换算法
{
    int i = 0;
    static bool Temp[256] = {0};
    for(i = 0; i < Num; i++)
    {
        Temp[i] = Data_in[Table[i] - 1];
    }
    Bitcopy(Data_out, Temp, Num);
}
void Loop_bit(bool* Data_out, int movstep, int len)
{
    static bool Temp[256] = {0};
    Bitcopy(Temp, Data_out, movstep);
    Bitcopy(Data_out, Data_out + movstep, len - movstep);
    Bitcopy(Data_out + len - movstep, Temp, movstep);
    /*Temp=Data_out;
    Temp[movstep]='\0';
    Data_out=Data_out+movstep;
    Data_out+(len-movstep)=Temp;*/
}
void Xor(bool* Message_out, bool* Message_in, int Num)//执行异或
{
    int i;
    for(i = 0; i < Num; i++)
    {
        Message_out[i] = Message_out[i] ^ Message_in[i];
    }
}
void SetKey(char My_key[8])
{
    int i, j;
    static bool Key_bit[64] = {0}; //Key的二进制缓存；
    static bool* Key_bit_L, * Key_bit_R;
    Key_bit_L = &Key_bit[0]; //key的左边28位；
    Key_bit_R = &Key_bit[28]; //key的右边28位；
    ByteToBit(Key_bit, My_key, 64);
    /* Change_bit(Key_bit,64) ;//二进制的位置进行转换；
     for(i=0;i<64;i++)
     {
      printf("%d ",Key_bit[i]);
     }
     printf("\n");
     printf("\n");*/
    TableReplace(Key_bit, Key_bit, PC1_Table, 56);//pc-1 置换
    for(i = 0; i < 16; i++)
    {
        Loop_bit(Key_bit_L, Move_Table[i], 28);
        Loop_bit(Key_bit_R, Move_Table[i], 28);
        TableReplace(SubKey[i], Key_bit, PC2_Table, 48);//pc-2置换
    }
}
void S_change(bool* Data_out, bool* Data_in) //S盒变换
{
    int i;
    int r = 0, c = 0;//S盒的行和列；
    for(i = 0; i < 8; i++, Data_in = Data_in + 6, Data_out = Data_out + 4)
    {
        r = Data_in[0] * 2 + Data_in[5] * 1;
        c = Data_in[1] * 8 + Data_in[2] * 4 + Data_in[3] * 2 + Data_in[4] * 1;
        ByteToBit(Data_out, &S_Box[i][r][c], 4);
    }
}
void F_change(bool Data_out[32], bool Data_in[48])   // f函数；
{
    int i;
    static bool Message_E[48] = {0};  //存放E置换的结果；
    TableReplace(Message_E, Data_out, E_Table, 48);//E表置换
    Xor(Message_E, Data_in, 48);
    S_change(Data_out, Message_E);                 // S盒变换
    TableReplace(Data_out, Data_out, P_Table, 32);  //P置换
}
void Run_Des(char My_message[8], char HexMssage[16])//des轮加密算法；
{
    int i;
    static bool Message_bit[64] = {0};
    static bool* Message_bit_L = &Message_bit[0], * Message_bit_R = &Message_bit[32];
    static bool Temp[32] = {0};
    ByteToBit(Message_bit, My_message, 64);
    /*Change_bit(Message_bit,64) ;//二进制的位置进行转换；
    for(i=0;i<64;i++)
    {
     printf("%d ",Message_bit[i]);
    }
    printf("\n");
    printf("\n");*/
    TableReplace(Message_bit, Message_bit, IP_Table, 64);
    for(i = 0; i < 16; i++)
    {
        Bitcopy(Temp, Message_bit_R, 32);
        F_change(Message_bit_R, SubKey[i]);
        Xor(Message_bit_R, Message_bit_L, 32);
        Bitcopy(Message_bit_L, Temp, 32);
    }
    TableReplace(Message_bit, Message_bit, IPR_Table, 64);
    BitToHex(HexMssage, Message_bit, 64);//二进制转换成十六进制；
}
void Run_desDes(char My_message[8], char HexMessage[16])// DES轮解密算法；
{
    int i = 0;
    static bool Message_bit[64] = {0};
    static bool* Message_bit_L = &Message_bit[0], * Message_bit_R = &Message_bit[32];
    static bool Temp[32] = {0};
    HexToBit(Message_bit, HexMessage, 64);
    TableReplace(Message_bit, Message_bit, IP_Table, 64);
    for(i = 15; i >= 0; i--)
    {
        Bitcopy(Temp, Message_bit_L, 32);
        F_change(Message_bit_L, SubKey[i]);
        Xor(Message_bit_L, Message_bit_R, 32);
        Bitcopy(Message_bit_R, Temp, 32);
    }
    TableReplace(Message_bit, Message_bit, IPR_Table, 64);
    BitToByte(My_message, Message_bit, 64);
}