加密解密算法的C++实现

网络与信息安全Introduction to Network and Security

——DES 加密解密算法的C++实现

2011年10月

目录

一、DES算法的概述 (2)

1、DES简介 (2)

2、DES算法原理 (2)

3、DES算法简述 (3)

3.1算法过程的具体分析 (4)

3.2 具体示例分析 (7)

二、DES算法的C++实现 (8)

1、运行环境 (8)

2、功能说明 (8)

3、程序函数说明 (8)

4、程序运行效果图 (19)

三、小结 (21)

一、DES算法的概述

1、DES简介

DES是Data Encryption Standard（数据加密标准）的缩写。1974年，IBM 向NBS提交了由Tuchman博士领导的小组设计并经改造的Luciffer算法。NSA （美国国家安全局）组织专家对该算法进行了鉴定，使其成为DES的基础。

1975年NBS公布了这个算法，并说明要以它作为联邦信息加密标准，征求各方意见。1976年，DES被采纳作为联邦标准，并授权在非机密的政府通信中使用。DES在银行，金融界崭露头角，随后得到广泛应用。

几十年过去了，虽然DES已不再作为数据加密标准，但它仍然值得研究和学习。首先三重算法仍在Internet中广泛使用，如PGP和S/MIME中都使用了三重DES作为加密算法。其次，DES是历史上最为成功的一种分组密码算法，它的使用时间之长，范围之大，是其它分组密码算法不能企及的，而DES的成功则归因于其精巧的设计和结构。

2、DES算法原理

DES是一个对称分组密码，它使用56位密钥操作64位分组。DES以64位分组形式加密数据。算法的输入是64位分组的明文，算法的输出是64位分组的密文，明文到密文经过了16轮一致的运算。通过剔除8个奇偶校验位，即忽略给定64位密钥中的每一个第8位，从而得到密钥长度为56位。

与其他分组加密方案一样，加密函数使用了两个输入：要被加密的64位明文和56位密钥。DES的基本构建是对明文分组的进行置换和替换的适宜组合（16次）。通过S-盒查表完成替换。除了以相反次序处理密钥次序表之外，加密和解密使用了相同的算法。

明文分组X组首先按初始置换IP表进行置换，得到Xo=IP(X)=(Lo,Ro)。经过16轮的置换、XOR和替换之后，反向置换IP^-1生成密文分组。如果使用Xi=(Li,Ri)表示第i轮加密结果，那么有：

Li=Ri-1

DES2-1所示。从加密公式中能够导出如下的解密过程：

⊕f(Li,Ki)

图2-1 DES 算法的第i 轮过程

3、DES 算法简述

DES 算法处理的数据对象是一组64比特的明文串。设该明文串为m=m1m2…m64 (mi=0或1)。明文串经过64比特的密钥K 来加密，最后生成长度为64比特的密文E 。其加密算法过程如图3-1所示下：

图3-1算法加密流程图 Li-1 f(Ri-1,Ki)

Ki

Li Ri Ri-1

3.1算法过程的具体分析

①IP置换

对DES算法加密过程图示的说明如下：待加密的64比特明文串m，经过IP 置换后，得到的比特串的下标列表如表3-1下：

该比特串被分为32位的Lo和32位的Ro两部分。Ro子密钥K1(子密钥的生成将在后面讲)经过变换f(Ro,K1)（f变换将在下面讲）输出32位的比特串f1,f1与Lo做不进位的二进制加法运算。运算规则为：

f1与Lo做不进位的二进制加法运算后的结果赋给R1，Ro则原封不动的赋给L1。L1与Ro又做与以上完全相同的运算，生成L2，R2…… 一共经过16次运算。最后生成R16和L16。其中R16为L15与f(R15,K16)做不进位二进制加法运算的结果，L16是R15的直接赋值。

R16与L16合并成64位的比特串。值得注意的是R16一定要排在L16前面。R16与L16合并后成的比特串，经过置换IP-1后所得比特串的下标列表3-2如下：

经过置换IP-1后生成的比特串就是密文。

②变换f(Ri-1,Ki)的功能

它的功能是将32比特的输入再转化为32比特的输出。其过程如图3-2所示：

对f变换说明如下：输入Ri-1(32比特)经过变换E后，膨胀为48比特。膨胀后的比特串的下标列表3-3如下：

膨胀后的比特串分为8组，每组6比特。各组经过各自的S盒后，又变为4比特(具体过程见后)，合并后又成为32比特。该32比特经过P变换后，其下标列表3-4如下：

经过P变换后输出的比特串才是32比特的f (Ri-1,Ki)。

③S盒的变换过程

任取一S盒。见图3-3所示。

在其输入b1,b2,b3,b4,b5,b6中，计算出x=b1*2+b6, y=b5+b4*2+b3*4+b2*8，再从Si表中查出x 行，y 列的值Sxy。将Sxy化为二进制，即得Si盒的输出。（S表如图3-4所示）

④子密钥的生成

64比特的密钥生成16个48比特的子密钥。子密钥生成过程具体解释如下：64比特的密钥K，经过PC-1后，生成56比特的串。其下标如表3-5所示：

该比特串分为长度相等的比特串C0和D0。然后C0和D0分别循环左移1位，得到C1和D1。C1和D1合并起来生成C1D1。C1D1经过PC-2变换后即生成48比特的K1。K1的下标列表3-6为：

C1、D1分别循环左移LS2位，再合并，经过PC-2，生成子密钥K2……依次类推直至生成子密钥K16。

注意：Lsi (I =1,2,….16)的数值是不同的。具体见下表：

3.2 具体示例分析

假设64位明文为X=3570e2f1ba4682c7，密钥K=581fbc94d3a452ea，包括8个奇偶校验位，前2轮的密钥分别是K1=27a169e58dda和K2=da91ddd76748。

出于演示的目的，这里的DES加密限制为仅仅使用的前两轮情况。使用表3-4IP将明文X划分为两个分组（Lo，Ro）,这样，Lo=ae1ba189和Ro=dc1f104。

32位的Ro被扩展为48位E(Ro)，这样，E(Ro)=6f80fe8a17a9。

通过E（Ro）与第一轮的密钥K1进行XOR运算，得到密钥依赖函数f1,这样：f1=E（Ro） K1=4821976f9a73

这个48位的f1首先被划分为8个6位分组，之后供给8个Si盒。从S盒替换阶段得到计算输出结果为Ω1=a1ec961c。

利用表3-5，Ω1的置换位置为P(Ω1)=2吧536c。将P（Ω1）与Lo作模2加，得到：R1=P（Ω1） Lo=85baf2e5

由此L1=Ro，因此。

现在考虑第二轮加密。借助表3-3扩展到R1，得到E（R1）=c0bdf57a570b。