DES加密
des对称加密，对称加密，是一种比较传统的加密方式，其加密运算、解密运算使用的是同样的密钥，信息的发送者和信息的接收者在进行信息的传输与处理时，必须共同持有该密码（称为对称密码），是一种对称加密算法。
数据加密标准(Data Encryption Standard,
DES)中的算法是第一个也是最重要的现代对称加密算法，其分组长度为64比特，使用的密钥长度为56比特(实际上函数要求一个64位的密钥作为输入，但其中用到的有效长度只有56位，剩余8位可作为奇偶校验位或完全随意设置)，DES加解密过程类似，加解密使用同样的算法，唯一不同的是解密时子密钥的使用次序要反过来。DES的整个体制是公开的，系统安全性完全依靠密钥的保密。
DES的运算可分为如下三步：
- (1) 对输入分组进行固定的“初始置换”IP，可写为(L0,R0)=IP(输入分组)，其中L0和R0称为“(左,右)半分组”，都是32比特的分组，IP是公开的固定的函数，无明显的密码意义。
- (2) 将下面的运算迭代16轮(i=1,2,…,16)：Li=Ri-1 ，Ri-1=Li-1 f(Ri-1,ki)；这里ki称为轮密钥，是56比特输入密钥的一个48比特字串，f称为S盒函数(S表示交换)，是一个代换密码，目的是获得很大程度的信息扩散。
- (3) 将十六轮迭代后得到的结果(L16 ,R16)输入到IP的逆置换来消除初始置换的影响，这一步的输出就是DES算法的输出，即输出分组=IP-1(R16 , L16)，此处在输入IP-1之前，16轮迭代输出的两个半分组又进行了一次交换。
DES的加密与解密算法都是用上述三个步骤，不同的是如果在加密算法中使用的轮密钥为k1, k2,…, k16，则解密算法中的轮密钥就应当是k16,
k15,…, k1，可记为(k1, k2,…, k16`)=( k16, k15,…, k1)。
DES算法的一轮迭代处理过程如下图所示。
DES的计算过程如下图所示。
在加密密钥k下，将明文消息m加密为密文c，使用DES将c在k下解密为明文，解密过程如下：(L0,R0)=IP(c)=IP(IP-1(R16 ,
L16))，即(L0,R0)=(R16 , L16)；在第一轮中，L1= R0= L16 =R15，R1=L0 f(R0,k1)= R16
f(L16 ,k1)=[ L16 f(R15 ,k16)] f(R15 ,k16)= L15，即(L1,R1`)=(R15 ,
L15)；同样的，在接下来的15轮迭代中，可以得到(L2,R2)=(R14 , L14)，……，(L16,R16)=(R0 ,
L0)；最后一轮结束后，交换L16和R16，即(R16,L16)=( L0, R0)，IP-1(L0, R0)=
IP-1(IP(m))=m，解密成功。
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// 密码学实验;des加密
// date:2017-10-22
// coded_by:haoming
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// 所需头文件
//-----------------------------------------
#include "stdafx.h"
#include<iostream>
#include<bitset>
#include<string>
#include<fstream>
using namespace std;
//-----------------------------------------
// 全局变量
//-----------------------------------------
bitset<64> key; // 64位密钥
bitset<48> sub_key[16]; // 存放16轮子密钥
//-----------------------------------------
// 函数声明
//-----------------------------------------
bitset<32> f(bitset<32> R, bitset<48> k); //des加密运算的f函数
bitset<28> left_shift(bitset<28> k, int shift); //密钥产生操作中的左移函数
void generate_keys(); //密钥生成函数：生成16个48位的子密钥
bitset<64> char_to_bitset(const char s[8]); //字符串转二进制
char* bitset_to_char(bitset<64> b); //二进制转字符串
bitset<64> encrypt(bitset<64>& plain); //加密函数
bitset<64> decrypt(bitset<64>& cipher); //解密函数
int my_pow(int x, int y); //求次方
//--------------------------------------------
// 输入数据使用的置换表
//--------------------------------------------
//【1】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 };
// 【2】尾置换表
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 };
//----------------------------------------------
// 密钥使用的置换表
//----------------------------------------------
// 【1】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 };
// 【2】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 };
// 【3】每轮左移的位数
int shift_bits[] = { 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1 };
//-------------------------------------------------
// des加密运算使用的置换表
//-------------------------------------------------
// 【1】扩展置换表，将 32位 扩展至 48位
int expand[] = { 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 };
// 【2】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 }
}
};
// 【3】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 };
//主函数
int main()
{
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// 字符串的加解密
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//【1】加密
//明文和密钥（长度均为8，即64位)
string s = "ihaoming";
string k = "ihaoming";
//转存位二进制
bitset<64> plain = char_to_bitset(s.c_str());
key = char_to_bitset(k.c_str());
// 生成16个子密钥
generate_keys();
//执行加密操作
bitset<64> cipher = encrypt(plain);
//cout<<bitset_to_char(plain)<<endl;
//将加密后的结果存放到cipher.txt文件中
fstream file1;
file1.open("D://cipher.txt", ios::binary | ios::out);
file1.write((char*)&cipher, sizeof(cipher));
file1.close();
//【2】解密
//以二进制的方式读取密文
bitset<64> temp;
file1.open("D://cipher.txt", ios::binary | ios::in);
file1.read((char*)&temp, sizeof(temp));
file1.close();
//执行解密操作
bitset<64> temp_plain = decrypt(temp);
//将解密的结果存入plain.txt文件
file1.open("D://plain.txt", ios::binary | ios::out);
file1.write((char*)&temp_plain, sizeof(temp_plain));
file1.close();
//-----------------------------------
// 文件的加解密
//-----------------------------------
ifstream in;
ofstream out;
//加密win7自带的koala图片
in.open("D://Koala.jpeg", ios::binary);
out.open("D://cipher2.txt", ios::binary);
//每次读取8个字节
while (in.read((char*)&plain, sizeof(plain)))
{
//加密
bitset<64> cipher = encrypt(plain);
//写出
out.write((char*)&cipher, sizeof(cipher));
//清零
plain.reset();
}
in.close();
out.close();
// 解密
in.open("D://cipher2.txt", ios::binary);
out.open("D://Koala.jpeg", ios::binary);
//每次读取8个字节
while (in.read((char*)&plain, sizeof(plain)))
{
//解密
bitset<64> temp = decrypt(plain);
//存放结果
out.write((char*)&temp, sizeof(temp));
//清零
plain.reset();
}
in.close();
out.close();
return 0;
}
//加密运算的f函数处理
//输入：32位的数据R,48位的子密钥k
//输出：32位的输出
bitset<32> f(bitset<32> R, bitset<48> k)
{
bitset<48> expandR;
// 【1】32位数据扩展成48位
for (int i = 0; i<48; ++i)
expandR[47 - i] = R[32 - expand[i]];
// 【2】：扩展后的数据与48位的子密钥作异或运算
expandR = expandR ^ k;
// 【3】：查找s_box置换表
bitset<32> output;
int x = 0;
for (int i = 0; i<48; i = i + 6)
{
//换算十进制来计算行数
int row = expandR[47 - i] * 2 + expandR[47 - i - 5];
//换算十进制来计算列数
int col = expandR[47 - i - 1] * 8 + expandR[47 - i - 2] * 4 + expandR[47 - i - 3] * 2
+ expandR[47 - i - 4];
//找到s_box表中的数字
int num = s_box[i / 6][row][col];
//置换
bitset<4> binary(num);
output[31 - x] = binary[3];
output[31 - x - 1] = binary[2];
output[31 - x - 2] = binary[1];
output[31 - x - 3] = binary[0];
x += 4;
}
// 【4】：P-置换，32 -> 32
bitset<32> tmp = output;
for (int i = 0; i<32; ++i)
output[31 - i] = tmp[32 - p[i]];
return output;
}
//密钥产生过程中CD两部分的左移操作
//输入:28位密钥，位移长度
//输出：左移结果
bitset<28> left_shift(bitset<28> k, int shift)
{
//临时变量
bitset<28> tmp = k;
for (int i = 27; i >= 0; --i)
{
if (i - shift<0)//防止越界
k[i] = tmp[i - shift + 28];
else
k[i] = tmp[i - shift];
}
return k;
}
//密钥生成函数：生成16个48位的子密钥
void generate_keys()
{
//变量声明
bitset<56> realKey;
bitset<28> left;
bitset<28> right;
bitset<48> compress_key;
//【1】 去掉奇偶标记位，将64位密钥变成56位
for (int i = 0; i<56; ++i)
realKey[55 - i] = key[64 - pc_1[i]];
//【2】 生成子密钥，保存在 sub_keys[16] 中
for (int round = 0; round<16; ++round)
{
// 前28位与后28位
for (int i = 28; i<56; ++i)
left[i - 28] = realKey[i];
for (int i = 0; i<28; ++i)
right[i] = realKey[i];
// 左移
left = left_shift(left, shift_bits[round]);
right = left_shift(right, shift_bits[round]);
// 压缩置换，由56位得到48位子密钥
for (int i = 28; i<56; ++i)
realKey[i] = left[i - 28];
for (int i = 0; i<28; ++i)
realKey[i] = right[i];
for (int i = 0; i<48; ++i)
compress_key[47 - i] = realKey[56 - pc_2[i]];
sub_key[round] = compress_key;
}
}
//将char字符数组转为二进制
//输入：长度为8的字符数组
//输出:64位bitset对象
//注：const char s[8]，8*8 = 64bits
bitset<64> char_to_bitset(const char s[8])
{
bitset<64> bits;
for (int i = 0; i<8; ++i)
for (int j = 0; j<8; ++j)
//左移一位再与1相与实现按位存取二进制
bits[i * 8 + j] = ((s[i] >> j) & 1);
return bits;
}
//二进制转字符串
char* bitset_to_char(bitset<64> b)
{
char s[8];
int sum = 0;
for (int i = 0; i<8; ++i)
{
for (int j = 0; j<8; ++j)
{
//先转为十进制
if (b[i*8+j] == 1)
{
sum += my_pow(2, 7-j);
}
}
//再转为字符
s[i] = char(sum);
sum = 0;
}
return s;
}
int my_pow(int x, int y)
{
int result = 1;
for (int i = 0; i < y; i++)
{
result *= x;
}
return result;
}
//DES加密
//输入：明文plain
//输出：密文cipher
bitset<64> encrypt(bitset<64>& plain)
{
//变量声明
bitset<64> cipher;
bitset<64> currentBits;
bitset<32> left;
bitset<32> right;
bitset<32> newLeft;
// 【1】：初始置换IP
for (int i = 0; i<64; ++i)
currentBits[63 - i] = plain[64 - ip[i]];
// 【2】：获取 Li 和 Ri
for (int i = 32; i<64; ++i)
left[i - 32] = currentBits[i];
for (int i = 0; i<32; ++i)
right[i] = currentBits[i];
// 【3】：16轮的迭代运算操作
for (int round = 0; round<16; ++round)
{
//暂存右边
newLeft = right;
//右边边与密钥进行f函数操作，结果与左边进行抑或操作，最后结果赋值给新的右边
right = left ^ f(right, sub_key[round]);
//旧的右边赋值给左边
left = newLeft;
}
// 【4】：合并L16和R16，注意合并为 R16L16
for (int i = 0; i<32; ++i)
cipher[i] = left[i];
for (int i = 32; i<64; ++i)
cipher[i] = right[i - 32];
// 【5】：结尾置换IP-1
currentBits = cipher;
for (int i = 0; i<64; ++i)
cipher[63 - i] = currentBits[64 - ip_1[i]];
// 返回密文
return cipher;
}
//DES解密
//输入:密文cipher
//输出:明文:plain
bitset<64> decrypt(bitset<64>& cipher)
{
//变量声明
bitset<64> plain;
bitset<64> currentBits;
bitset<32> left;
bitset<32> right;
bitset<32> newLeft;
// 【1】：初始置换IP
for (int i = 0; i<64; ++i)
currentBits[63 - i] = cipher[64 - ip[i]];
// 【2】：获取 Li 和 Ri
for (int i = 32; i<64; ++i)
left[i - 32] = currentBits[i];
for (int i = 0; i<32; ++i)
right[i] = currentBits[i];
// 【3】：16轮迭代（解密的时候，子密钥逆序应用）
for (int round = 0; round<16; ++round)
{
//暂存右边
newLeft = right;
//右边边与密钥进行f函数操作，结果与左边进行抑或操作，最后结果赋值给新的右边
right = left ^ f(right, sub_key[15 - round]);
//旧的右边赋值给左边
left = newLeft;
}
// 【4】：合并L16和R16，注意合并为 R16L16
for (int i = 0; i<32; ++i)
plain[i] = left[i];
for (int i = 32; i<64; ++i)
plain[i] = right[i - 32];
// 【5】：结尾置换IP-1
currentBits = plain;
for (int i = 0; i<64; ++i)
plain[63 - i] = currentBits[64 - ip_1[i]];
// 返回明文
return plain;
} 本文由芒果浩明发布，转载请注明来源。
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