本文内容：
1. 对称加密
2. 数据加密标准
3. 用c++程序实现DES加密和解密
4. 实验效果
一、对称加密
对称加密也称为常规加密、私钥或单钥加密。
一个对称加密由5部分组成：
- 明文(plaintext):这是原始信息或数据，作为算法的输入。
- 加密算法(encryption algorithm):加密算法对明文进行各种替换和转换。
- 密钥(secret key):密钥也是算法的输入。算法进行的具体替换和转换取决于密钥。
- 密文(ciphertext):这是产生的已被打乱的消息输出。
- 解密算法(decryption algorithm):本质上是加密算法的反向执行。它使用密文和同一密钥产生产生原始明文。
下图解释了这一过程：
二、数据加密标准
数据加密标准（Data Encryption Standard, DES）于1977年被美国国家标准局(National Bureau of Standard, NBS)，即现在国家标准和技术协会(National Institute of Standards and Technology,NIST)采纳为联邦46（FIPS PUB 46）。这个算法本身指的是数据加密算法(Data Encryption Algorithm)。DES采用了64位的分组长度和56位的密钥长度。它将64位的经过一系列的变换得到64位的输出，解密则使用了相同的步骤和相同的密钥。
三、用c++程序实现DES加密和解密
下图是DES加密算法的整体流程图：
64位输入明文先进行初始置换IP，然后进行16轮相同的函数作用，最后在进行一个逆初始置换输出64位的密文。上图的右半部分是密钥的产生和使用过程，首先64位密钥压缩置换后变为56位，然后进行循环左移和置换选择得到子密钥和每轮的输入。
初始置换（IP）：
// 初始置换表
int IP[] = {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
};
// 逆置换表
int IP_1[] = {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
};每轮的具体操作流程：
每轮的变换过程可以记为下面的公式：
明文输入的64位，被分成两部分L和R，R又作为下一轮迭代的L，R经过F函数的作用输出32位的数据，再与本轮的L异或产生下一轮的R。
下图解释了S盒在F函数中的使用方法：
一共有8个S盒，每个S盒都输入6位，输出4位。盒Si输入的第一位和最后一位组成一个二进制数，用来选择S盒4行代替值中的一行，中间4位组成的二进制数用来选择16列中的一列。选中的是十进制数转换成二进制数后得到输出的4位二进制数。S盒的定义如下：
// S盒，每个S盒是4x16的置换表，6位 -> 4位
int 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},
{13,7,0,9,3,4,6,10,2,8,5,14,12,11,15,1},
{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}
},
{
{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}
},
{
{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}
},
{
{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}
},
{
{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}
},
{
{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}
}
};F函数中用到的扩展置换表E和置换表P定义如下：
// 扩展置换表，将 32位 扩展至 48位
int E[] = {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置换，32位 -> 32位
int P[] = {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
}; 注意：
代码中位的操作使用c++中的模板类bitset，
对于bitset<64> N(5)，N[0]=1,N[1]=0,N[2]=1,N[3]=0。
3.1 函数F的代码实现
// 实现 F 函数
bitset<32> f_function(const bitset<32> &R, const bitset<48> &K) {
bitset<48> expandedR;
// 1.扩展置换
for(int i = 0; i < 48; i++) {
expandedR[47 - i] = R[32 - E[i]];
}
// 2.expandedR 与 K 执行XOR运算
expandedR = expandedR ^ K;
// 3. S盒置换
bitset<32> output;
for(int i = 0, j = 0; i < 48; i += 6, j += 4) {
int row = expandedR[47 - i] * 2 + expandedR[47 - i - 5];
int column = expandedR[47 - i - 1] * 8 + expandedR[47 - i - 2] * 4 + expandedR[47 - i - 3] * 2 + expandedR[47 - i - 4];
bitset<4> bitTemp(S_BOX[i / 6][row][column]);
output[31 - j] = bitTemp[3];
output[31 - j - 1] = bitTemp[2];
output[31 - j - 2] = bitTemp[1];
output[31 - j - 3] = bitTemp[0];
}
// 4. P置换
bitset<32> tmp = output;
for(int i = 0; i < 32; i++) {
output[31 - i] = tmp[32 - P[i]];
}
return output;
}3.2 密钥的操作
因为16个子密钥在加密和解密过程中都要使用，故编写一个函数getSubKey用来生成16个子密码。
密钥生成过程中用到的置换表：
// 密钥置换表，将64位密钥变成56位
int PC_1[] = {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
};
// 压缩置换，将56位密钥压缩成48位子密钥
int PC_2[] = {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
};
// 每轮左移的位数
int shiftBitCounts[] = {1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1};生成16个子密码的函数：
// 用函数实现循环左移
bitset<28> leftShift(bitset<28> bits, int count) {
bitset<28> bittemp;
for(int i = 0; i < 28; i++)
bittemp[i] = bits[27 - i];
bittemp = (bittemp >> count) | (bittemp << (28 - count));
for(int i = 0; i < 28; i++)
bits[27 - i] = bittemp[i];
return bits;
}
// 生成子密钥
void getSubKey(const bitset<64> &key) {
// 1. 获得C和D
bitset<56> initKeyReplace;
for(int i = 0; i < 56; i++) {
initKeyReplace[55 - i] = key[64 - PC_1[i]];
}
bitset<28> C;
bitset<28> D;
for(int i = 0; i < 56; i++) {
if(i < 28)
C[27 - i] = initKeyReplace[55 - i];
else
D[55 - i] = initKeyReplace[55 - i];
}
// 16 rounds
for(int iround = 0; iround < 16; iround++) {
C = leftShift(C, shiftBitCounts[iround]);
D = leftShift(D, shiftBitCounts[iround]);
bitset<56> con;
for(int i = 0; i < 56; i++) {
if(i < 28)
con[55 - i] = C[27 - i];
else
con[55 - i] = D[55 - i];
}
bitset<48> res;
for(int i = 0; i < 48; i++) {
res[47 - i] = con[56 - PC_2[i]];
}
subKey[iround] = res;
}
}3.3 加密和解密过程
// DES加密
bitset<64> encrypt(const bitset<64> &text) {
// 1. 初始置换IP
bitset<64> initReplace;
for(int i = 0; i < 64; i++) {
initReplace[63 - i] = text[64 - IP[i]];
}
// 2. 16轮
bitset<32> currentL;
bitset<32> currentR;
bitset<32> nextL;
// 2.1 获得L和R
for(int i = 0; i < 64; i++) {
if(i < 32)
currentL[31 - i] = initReplace[63 - i];
else
currentR[63 - i] = initReplace[63 - i];
}
// 2.2 16 round
for(int round = 0; round < 16; round++) {
nextL = currentR;
currentR = f_function(currentR, subKey[round]) ^ currentL;
currentL = nextL;
}
// 3. 32位互换
bitset<64> exchange;
for(int i = 0; i < 64; i++) {
if(i < 32)
exchange[63 - i] = currentR[31 - i];
else
exchange[63 - i] = currentL[63 - i];
}
// 4. 结尾IP_1置换
bitset<64> result;
for(int i = 0; i < 64; i++) {
result[63 - i] = exchange[64 - IP_1[i]];
}
return result;
}解密过程和加密过程一样，只是使用子密钥的顺序是相反的。
四、实验效果
int main(int argc, char *argv[])
{
string s_key = "qiaoting";
bitset<64> key = charToBitset(s_key.c_str());
getSubKey(key);
fstream fileIn, fileOut;
fileIn.open("plain_in.txt", ios::binary | ios::in);
fileOut.open("cipher.txt", ios::binary | ios::out);
bitset<64> plain;
while(fileIn.read((char *)&plain, sizeof(plain)))
{
bitset<64> cipher = encrypt(plain);
fileOut.write((char*)&cipher, sizeof(cipher));
plain.reset();
}
fileIn.close();
fileOut.close();
fileIn.open("cipher.txt", ios::binary | ios::in) ;
fileOut.open("plain_out.txt", ios::binary | ios::out);
while(fileIn.read((char*)&plain, sizeof(plain)))
{
bitset<64> temp = decrypt(plain);
fileOut.write((char*)&temp, sizeof(temp));
plain.reset();
}
fileIn.close();
fileOut.close();
return 0;
}其中subKey是一个全局变量（当然也可以不这么做）。
bitset<48> subKey[16];函数charToBitset是用来将C类型的字符串转换成位(bitset)。
bitset<64> charToBitset(const char *s)
{
bitset<64> res;
for(int i = 0; i < 8; i++)
for(int j = 0; j < 8; j++)
res[i * 8 + j] = ((s[i] >> j) & 0x01);
return res;
}主函数中实现的是将plain_in.txt这个文件加密位cipher.txt，然后以cipher.txt作为输入文件，进行解密，解密后的文件为plain_out.txt。
效果：
五、代码
本文为对称加密算法DES的学习笔记，参考《密码学与网络安全》第五版