DES加密与解密原理及C++代码实现

DES(Data Encryption Standard)是目前最为流行的加密算法之一。

对称性:DES是对称的，也就是说它使用同一个密钥来加密和解密数据。与此相对的是RSA加密算法,是一种非对称加密算法

分组性:DES还是一种分组加密算法，该算法每次处理固定长度的数据段，称之为分组。DES分组的大小是64位，如果加密的数据长度不是64位的倍数，可以按照某种具体的规则来填充位。

“混乱和扩散”的原则:混乱的目的是为隐藏任何明文同密文、或者密钥之间的关系，而扩散的目的是使明文中的有效位和密钥一起组成尽可能多的密文。两者结合到一起就使得安全性变得相对较高。

DES算法具体通过对明文进行一系列的排列和替换操作来将其加密:过程的关键就是从给定的初始密钥中得到16个子密钥的函数。要加密一组明文，每个子密钥按照顺序（1-16）以一系列的位操作施加于数据上，每个子密钥一次，一共重复16次。每一次迭代称之为一轮。要对密文进行解密可以采用同样的步骤，只是子密钥是按照逆向的顺序（16-1）对密文进行处理。

key：7个字节共56位的工作密钥

data：8个字节共64位的需要被加密或被解密的数据

mode：DES工作方式，加密或者解密

1.初始置换

其功能是把输入的64位数据块按位重新组合，并把输出分为L0、R0两部分，每部分各长32位，其置换规则为将输入的第58位换到第一位,第50位换到第2位……依此类推,最后一位是原来的第7位。L0、R0则是换位输出后的两部分，L0是输出的左32位，R0是右32位

例:设置换前的输入值为D1D2D3……D64,则经过初始置换后的结果为:L0=D58D50……D8;R0=D57D49……D7。L0(Left)是置换后的数据的前32位，R0(Right)是置换后的数据的后32位。

2.加密处理--迭代过程

经过初始置换后，进行16轮完全相同的运算，在运算过程中数据与秘钥结合。

函数f的输出经过一个异或运算，和左半部分结合形成新的右半部分，原来的右半部分成为新的左半部分。每轮迭代的过程可以表示如下：

Ln = R(n - 1)；

Rn = L(n - 1)⊕g(Rn-1,kn-1);    ⊕:异或运算

Kn是向第N层输入的48位的秘钥，g是以Rn-1和Kn为变量的输出32位的函数

2.1函数g

函数g由四步运算构成：秘钥置换(Kn的生成，n=0~16)；扩展置换；S-盒代替；P-盒置换。

2.1.1 秘钥置换--子密钥生成

DES算法由64位秘钥产生16轮的48位子秘钥。在每一轮的迭代过程中，使用不同的子秘钥。

a、把密钥的奇偶校验位忽略不参与计算，即每个字节的第8位，将64位密钥降至56位，然后根据选择置换PC-1将这56位分成两块C0(28位)和D0(28位)；

b、将C0和D0进行循环左移变化(注：每轮循环左移的位数由轮数决定)，变换后生成C1和D1，然后C1和D1合并，并通过选择置换PC-2生成子密钥K1(48位)；

c、C1和D1在次经过循环左移变换，生成C2和D2，然后C2和D2合并，通过选择置换PC-2生成密钥K2(48位)；

d、以此类推，得到K16(48位)。但是最后一轮的左右两部分不交换，而是直接合并在一起R16L16，作为逆置换的输入块。其中循环左移的位数一共是循环左移16次，其中第一次、第二次、第九次、第十六次是循环左移一位，其他都是左移两位。

密钥置换选择1---PC-1(子秘钥的生成)

操作对象是64位秘钥,64位秘钥降至56位秘钥不是说将每个字节的第八位删除，而是通过缩小选择换位表1（置换选择表1）的变换变成56位。如下：56位秘钥分成C0和D0,各28位：

根据轮数，将Cn和Dn分别循环左移1位或2位

第一轮是循环左移1位。C0循环左移1位后得到C1如下：

49,41,33,25,17,9,1, 58,50,42,34,26,18,10, 2,59,51,43,35,27,19, 11,3,60,52,44,36,57

D0循环左移1位后得到D1如下：

55,47,39,31,23,15,7, 62,54,46,38,30,22,14, 6,61,53,45,37,29,21, 13,5,28,20,12,4,63

C1和D1合并之后，再经过置换选择表2生成48位的子秘钥K1。置换选择表2(PC-2)如下：

去掉第9、18、22、25、35、38、43、54位，从56位变成48位，再按表的位置置换。

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

C1和D1再次经过循环左移变换，生成C2和D2，C2和D2合并，通过PC-2生成子秘钥K2。

以此类推，得到子秘钥K1~K16。需要注意其中循环左移的位数。

2.1.2 扩展置换E(E位选择表)

通过扩展置换E，数据的右半部分Rn从32位扩展到48位。扩展置换改变了位的次序，重复了某些位。

扩展置换的目的：a、产生与秘钥相同长度的数据以进行异或运算，R0是32位，子秘钥是48位，所以R0要先进行扩展置换之后与子秘钥进行异或运算；b、提供更长的结果，使得在替代运算时能够进行压缩。

扩展置换E规则如下：

2.1.3 S-盒代替(功能表S盒)

Rn扩展置换之后与子秘钥Kn异或以后的结果作为输入块进行S盒代替运算 功能是把48位数据变为32位数据

代替运算由8个不同的代替盒(S盒)完成。每个S-盒有6位输入，4位输出。

所以48位的输入块被分成8个6位的分组，每一个分组对应一个S-盒代替操作。

经过S-盒代替，形成8个4位分组结果。

注意：每一个S-盒的输入数据是64位，输出数据是4位，但是每个S-盒自身是64位！！ 每个S-和是4行16列的格式，因为二进制4位是0~15。8个S-盒的值如下：

S-盒1 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,

S-盒2

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,

S-盒3

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,

S-盒4

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,

S-盒5

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,

S-盒6

12,1,10,15,9,2,6,8,0,13,3,4,14,7,5,11, 10,15,4,2,7,12,9,5,6,1,13,14,0,11,3,8, 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,

S-盒7

4,11,2,14,15,0,8,13,3,12,9,7,5,10,6,1, 13,0,11,7,4,9,1,10,14,3,5,12,2,15,8,6, 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,

S-盒8

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,

S-盒计算过程:以盒8为例

假设S-盒8的输入(即异或函数的第43~18位)为110011。

第1位和最后一位组合形成了11(二进制)，对应S-盒8的第3行。中间的4位组成形成1001(二进制),对应S-盒8的第9列。所以对应S-盒8第3行第9列值是12。则S-盒输出是1100(二进制)。

2.1.4 P-盒置换

S-盒代替运算，每一盒得到4位，8盒共得到32位输出。这32位输出作为P盒置换的输入块。

P盒置换将每一位输入位映射到输出位。任何一位都不能被映射两次，也不能被略去。

经过P-盒置换的结果与最初64位分组的左半部分异或，然后左右两部分交换，开始下一轮迭代。

P-盒置换表(表示数据的位置)共32位 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,

3.逆置换

将初始置换进行16次的迭代，即进行16层的加密变换，这个运算过程我们暂时称为函数f。得到L16和R16，将此作为输入块，进行逆置换得到最终的密文输出块。逆置换是初始置换的逆运算。从初始置换规则中可以看到，原始数据的第1位置换到了第40位，第2位置换到了第8位。则逆置换就是将第40位置换到第1位，第8位置换到第2位。以此类推，逆置换规则如下

4.DES算法描述

1.输入64位明文数据，并进行初始置换IP；

2.在初始置换IP后，明文数据再被分为左右两部分，每部分32位，以L0，R0表示；

3.在秘钥的控制下，经过16轮运算(f)；

4.16轮后，左、右两部分交换，并连接再一起，再进行逆置换；

5.输出64位密文。

加密和解密可以使用相同的算法。加密和解密唯一不同的是秘钥的次序是相反的。就是说如果每一轮的加密秘钥分别是K1、K2、K3...K16，那么解密秘钥就是K16、K15、K14...K1。为每一轮产生秘钥的算法也是循环的。加密是秘钥循环左移，解密是秘钥循环右移。解密秘钥每次移动的位数是：0、1、2、2、2、2、2、2、1、2、2、2、2、2、2、1。