DES加密算法实现

一、算法简介

DES全称为Data Encryption Standard，即数据加密标准，是一种使用密钥加密的块算法，1977年被美国国家标准局（NBS）确定为联邦信息处理标准（FIPS），并授权在非密级政府通信中使用，随后该算法在国际上广泛流传开来。

DES是基于56位密钥的对称算法，由于它使用的56位密钥过短，目前已经不被视为一种安全的加密算法。当然你也可以使用DES的派生算法3DES来进行加密，提高破解的难度。

2001年，DES被高级加密标准（AES）所取代。另外，DES已经不作为NIST的标准。

二、算法原理概述

1. 算法基本概念

明文以字节为基本单位，将明文分成每8字节一组，即64位，如果明文最后的分组不够64位，按照PKCS#5规范进行填充，如最后一组只有2字节，那么在末尾补上6个字节，每个字节取值均为06，如果刚刚分组完全，则在末尾添加8个字节，字节取值均为08。

密钥K以位为基本单位，密钥长64位，与明文分组一样长，但密钥因为存在8位奇偶校验位，实际起作用的只有56位，密钥需要加密解密双方均知道才可以进行加密解密。

2. 算法总体结构

以下明文、密文长均为64位，加密或解密后需手动组装起来

加密过程
- C = DES（M） = ${IP}^{-1}$ * W * $T_{16}$ * $T_{15}$ * … * $T_{1}$ * $IP$ （M）
  - M为64位明文，C为64位密文
  - IP为初始置换
  - $IP^{-1}$ 为IP的逆置换
  - $T_{16}$ * $T_{15} $ * … * $T_1$ 为16轮迭代T，由密钥得出
  - W为前后置换，将64位的前32位与后32位交换位置
解密过程
- M = DeDES（C）= ${IP}^{-1}$ * W * $T_1$ * … * $T_{15}$ * $T_{16}$ * $IP$ （C）

3. 初始置换IP

IP是64位的置换表，代码中表现为64位数组。其中第0位上的数为58，表示为新得到的64位串的第0位是原来的第57位（注意是57位而不是58位，因为数组上的数只有1-64，并不是0-63，所以要相对应减1，后面的所有置换表均如此），新得到的64位串表示位 $L_0$ $R_0$ ，分别代表前32位（即低32位）和后32位（即高32位）。置换表在代码中给出。

4. 逆置换 $IP^{-1}$

同上，置换表也在代码中给出。

5. 16轮T迭代

这是最复杂的一个环节

（1）第k轮迭代

$L_i$ = $R_{i-1}$ , $R_i$ = $L_{i-1}$ $\bigoplus$ $f$ ( $R_{i-1}$ , $k_i$ )， $i$ = 1, 2, … , 16

注：解密过程是反过来的，即i是递减使用的

$f$ 是输出32位的Feistel轮函数
$k_i$ 长48位，是由密钥K生成的字密钥，共16个

（2）字密钥 $k_i$ 生成

对K的56位非校验位进行PC-1置换，PC-1置换表共56位，得到 $C_0$ $D_0$ ，分别为前28位和后28位， $i$ = 1
计算 $C_i$ = L $S_i$ ( $C_{i-1}$ )和 $D_i$ = L $S_i$ ( $D_{i-1}$ )
- 当i为1，2，9，16时，L $S_i$ (A)表示将二进制串A左移一位，否则，左移两位
对56位的 $C_i$ $D_i$ 进行PC-2置换，得到48位的 $k_i$ .PC-2置换表共48位，置换表在代码中给出
循环得到所有字密钥

（3）Feistel轮函数 $f$ ( $R_{i-1}$ , $k_i$ )

将长度位32位的串 $R_{i-1}$ 进行E-扩展，成为48位的串E（ $R_{i-1}$ ）,E-扩展所需要的置换表在代码中给出
将E（ $R_{i-1}$ ）和长度位48位的字密钥 $k_i$ 做二进制的异或运算， $k_i$ 前面已算出
将上一步得到的48位结果分成8个分组，每个分组长度为6位
将8个分组分别经过8个不同的S-盒（ $S_1$ $S_2$ … $S_8$ ）进行6-4转换，得到8个长度为4位的分组，分组位越低使用的S-盒下标也小，此处是一一对应的，S-盒的转换规则稍后给出
将上一步得到的结果按顺序连接在一起得到长度为32位的串
将上一步的结果经过P-置换，得到新的32位串，作为 $f$ ( $R_{i-1}$ , $k_i$ ) 的返回值。P置换表共32位，代码中给出

（4）S-盒转换

每个S-盒均为4行16列的矩阵，矩阵内数据为0-15，可变为二进制串0000-1111。输入的数有6bit，经过转化之后返回4bit。

例：S1为刚刚48位串的最低6位，为“1111001”，自然得使用 $S_1$ 盒。令row = $(11)_{10}$ = 3，其中，高位1为 $S_1$ 的最高位，低位1为 $S_1$ 的最低位。令col = $(1100)_{10}$ = 12，这4个位为中间剩下的4个位。查找 $S_1$ 盒， ${[S_1]_{3,12}}$ 则为输出的四位。注意：3代表的是第4行，因为矩阵下标从0开始，同理12代表13列

8个S-盒的矩阵在代码中给出。

三、代码实现模块及结构

此代码支持中英文的加密解密，具体代码请看代码文件：data.hpp存放各个置换表，des.cpp是具体实现文件

（1）自定义结构体代表二进制

typedef struct data64
{
	bitset<64> bits;
}datas_64;


typedef struct data56
{
	bitset<56> bits;
}datas_56;
//还有其他不同位数的结构体

（2）声明函数模块

void init_secret_key(); //初始化密钥
void init_K_i(datas_64 secret_key);//初始化子密钥ki
string RKCS_fill(string str);  //RKCS#5补齐8个字节
vector<datas_64> string_to_binary(string str);  //将字符串转化为二进制数
string binary_to_string(vector<datas_64> v);  //将二进制数转化为字符串
vector<datas_64> encryption(vector<datas_64> v); //所有数据的加密算法，第二个参数为密钥
vector<datas_64> Decrypt(vector<datas_64> v); //所有数据的解密算法，第二个参数为密钥
datas_64 byte_encryption(datas_64 v); //64位的加密算法 
datas_64 byte_Decrypt(datas_64 v);  //64位的解密算法
datas_64 IP(datas_64 v); //IP置换
datas_64 IP_inverse(datas_64 v); //IP的逆置换
datas_64 W(datas_64 v);   //W操作
datas_64 T_iteration(datas_64 v, datas_48* K);  //16次T迭代,注意，算法最后的左右交换输出就是W操作，在这里不写，不要重复！！
datas_64 T_iteration_inverse(datas_64 v, datas_48* K);   //16次T的逆迭代，算法最后的左右交换输出就是W操作，在这里不写，不要重复！！
datas_32 Feistel(datas_32 R, datas_48 K); //Feistel轮函数
datas_48 E_extend(datas_32 v); //E-扩展
datas_32 S_box_change(datas_48 v); //s盒6-4转化，48位转位32位
//6-4转化，输入一个6位，输出一个4位，index位第index个S-BOX
datas_4 find_in_Sbox(int index, datas_6 v); 
datas_32 P(datas_32 v); //Feistel轮函数中的P置换

（3）main函数

int main(){
	init_secret_key();
	init_K_i(secret_key);

	string Plaintext = "";
	char c;
	cout << "输入明文： ";
	while((c = cin.get()) != '\n'){
		Plaintext += c;
	}

	Plaintext = RKCS_fill(Plaintext);
	vector<datas_64> v = string_to_binary(Plaintext);
	vector<datas_64> data1 = encryption(v);
	cout << "密文:  " << binary_to_string(data1) << endl;
	vector<datas_64> data2 = Decrypt(data1);
	cout << "解密后明文:  " << binary_to_string(data2) << endl;
	

	return 0;
}

四、实验结果

输入随机中文
输入随机英文
中英混合