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DES加密解密算法(简单、易懂、超级详细)

0 人参与  2023年04月01日 12:49  分类 : 《随便一记》  评论

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目录

一、基础补充

二、什么是DES算法

    (1)对称加密算法

    (2)非对称加密算法

    (3)对称加密算法的应用

三、DES算法的基础操作步骤

    1.明文的加密整体过程

    2.F轮函数解析

    3.密钥的形成过程

四、AC代码

五、DES算法的测试

 六、共勉


一、基础补充

    在实现DES算法时,需要掌握对二进制数的了解,例如:源码、反码、补码,位操作等,如果有不懂的朋友可以先去看看我对二进制数的理解,再来看DES算法,会更加容易。

    源码、反码、补码:http://t.csdn.cn/Osuf2

    位操作,例如:按位与、按位或、按位异或、按位左移、按位右移等:http://t.csdn.cn/YQ60C

    我的参考视频:

DES加密算法|密码学|信息安全_哔哩哔哩_bilibili

二、什么是DES算法

    (1)对称加密算法

    1. 通信的双方同时掌握一个密钥,加密解密都是由一个密钥完成的(加密密钥等于解密密钥)。

    2. 双方通信前共同拟定一个密钥,不对第三方公开。

    3. 不具有个体原子性,一个密钥被共享,泄露几率会大大增加。

    (2)非对称加密算法

    1.在非对称加密中,不再只有一个密钥Key了。在非对称加密算法中,密钥被分解为一对,一个称为公开密钥,另一个称为私有密钥。对于公钥,可以通过非保密方式向他人公开,而私钥则由解密方保密,不对别人公开。

    (3)对称加密算法的应用

    1. DES算法是对称加密算法的代表,虽然现在已经很好实现,但是对于研究其改进的方法,有很重大的影响。

    2. 在DES算法中由于大部分原始数据较长,首先需要将数据切成64位的明文分组,所以DES算法也叫做分组加密算法。

    3. 在DES算法中使用的密钥位64位,其中有效的密钥长度其实只有56位(分成8块每块长为8位,每隔8位设置左后一位为校验位,采用就奇偶校验法)。

    4. 在DES算法中加密的明文较长,需要对DES加密进行16轮的函数循环迭代。

三、DES算法的基础操作步骤

    由于DES算法过于复杂,我将它分为3大步:

    (1)明文的加密的整体过程

    (2)F轮函数解析

    (3)密钥的形成过程

    1.明文的加密整体过程

    (1)  输入64bit的明文进行IP置换,分成左右两个分支各为32bit, 左边:32bitL0,右边:32bitR0

      (2)  右分支:L1 = R0  左分支:引入48bit 的密钥,R1=L0 异或  f(R0,K1)  

      (3)  相同的操作进行16次的运算循环,算出相应的,R1~R16,L0~L16

    (4)最后在进行IP的逆序置换,将左右两个分支再次合并为64bit密文

    (5)将上述的说法,汇聚成流程图,方便大家理解

     (6)整体的操作代码:

string wen(string wenBinary[], int num){    int i, j;    string ipWenBinary[100];  //保存明文    string left[17], right[17], temp, result; //分为左右两个分支    for (i = 0; i < num; i++)    {        temp = ""; //一个暂存明文的字符串        //进行IP置换        for (j = 0; j < 64; j++)  //明文为64bit        {            temp += wenBinary[i][ipTable[j] - 1];        }        ipWenBinary[i] = temp;    }    //进行左右分支,分为left:L0,,,right:R0    for (i = 0; i < num; i++)    {        left[0] = ipWenBinary[i].substr(0, 32);        right[0] = ipWenBinary[i].substr(32, 32);        //        for (j = 0; j < 16; j++)   //进行16次循环        {            left[j + 1] = right[j];   //  left: L1 = R0            //加密和解密的区别            // flag 为全局变量            if (flag == 1) // flage = 1进行加密,否则进行解密                right[j + 1] = xorAB(left[j], f(right[j], k[j]));            else                //倒着进行解密                right[j + 1] = xorAB(left[j], f(right[j], k[15 - j]));        }        temp = right[j] + left[j];  //经过16轮加密/解密,将左右32bit合并        //将加密后的密文进行最后的置换,实际上和初始置换是对称的~!        //每块的加密结果都和在result中,加密可以直接输出比特流        // 进行IP的逆置换        for (j = 0; j < 64; j++)        {            result += temp[ipReverseTable[j] - 1];        }    }    //解密结果输出的是字符    if (flag == 2)    {        string ch;        for (i = 0; i < num * 8; i++) //一个模块是8个bit        {            ch += binaryToInt(result.substr(8 * i, 8)); //每8bit进行一次二进制转整型        }        result = ch;    }    return result;}

     (7)在以上的操作都是在进行二进制数、整数、字符转换,操作代码如下:

//字符转二进制string charToBinary(char c){    int i, b = c, k = 0, flag = 0;    string result;    //负数就是中文字符    if (b < 0)    {        b = -b;        flag = 1;    }    //英文字符转换成ASCII的倒序,所以后面需要进行逆序    while (k < 8) //这里的8表示char是1个字节=8bit    {        if (b) //这里将ASCII里的字符转换为二进制        {            result += ((b % 2) + '0');  // 其中这里+'0',表示将数字转换为字符            b /= 2;        }        else result += '0';        k++;    }    //汉字字符处理    if (flag)//判断是否为汉字    {        for (i = 0; i < result.length(); i++)   //此时因为是负数,源码、反码、补码不相等,需要置换        {            if (result[i] == '0') result[i] = '1';  // 反码:最高最不变,其它的0->1,,1->0            else result[i] = '0';        }        for (i = 0; result[i] != '0'; i++)        {            result[i] = '0';              //补码 :反码加+1        }        result[i] = '1';    }    reverse(result.begin(), result.end());  //将结果逆序,成为最终的二进制    return result;}//二进制转整型int binaryToInt(string s){    int i, result = 0, p = 1;    for (i = s.length() - 1; i >= 0; i--)    {        result += ((s[i] - '0') * p);   //数字字符转成字符        p *= 2;    }    return result;}//整型转二进制string intToBinary(int i){    int k = 0;    string result;    while (k < 4) //此处,处理进入S盒后取出的数据转为2进制,此处最多用4bit    {        if (i)        {            result += ((i % 2) + '0');            i /= 2;        }        else result += '0';        k++;    }    reverse(result.begin(), result.end());    return result;}

2.F轮函数解析

    F轮函数是整个DES算法的核心其中包括:

    (1)IP置换

    (2)E扩展:将32bit的R0扩展为48bit的R0,其中扩展图为:

    (3)异或:将48bit的R0于48bit的K1进行异或

    (4)S盒压缩处理 :大盒子里有8块6bit 的小盒子,刚好容纳48bit的二进制数,盒子的特点是6进4出,出了盒子就变成了32bit的二进制数,举例:

     (5)IP逆序置换

    其中F轮函数的执行代码如下图所示:

//f函数string f(string right, string k) //其中right 为明文的右分支R0--R16,k当前加密轮密钥{    int i, temp;    string extendBinary, result, b0; //extendBinary用来存放E扩展32bit~48bit的内容    string b[8], row, col;    string b8, pb;    for (i = 0; i < 48; i++)    {        extendBinary += right[extendTable[i] - 1];    }    b0 = xorAB(extendBinary, k);//扩展后的内容与此轮密钥异或操作并将结果存入b0中    for (i = 0; i < 8; i++)  //将b0的内容分成八份,每份六bit,为进入S盒做准备    {        b[i] = b0.substr(i * 6, 6);    }    for (i = 0; i < 8; i++)    {        //6bit的第一位和第六位作为行坐标        row = b[i].substr(0, 1) + b[i].substr(5, 1);        //6bit的第二至五位作为纵坐标        col = b[i].substr(1, 4);        //进行查表        temp = sBox[i][binaryToInt(row)][binaryToInt(col)];        //转到b8中合并----48bit压缩到32bit        b[i] = intToBinary(temp);        b8 += b[i];    }    //进行P盒置换    for (i = 0; i < 32; i++)    {        pb += b8[pTable[i] - 1];    }    //f轮函数结束,返回pb    return pb;}

3.密钥的形成过程

    (1)密钥原本为64bit ,去掉8位校验位,剩余56位参与运算

    (2)按照交换规则,生成16位48bit的轮密钥

    其中密钥生成的流程图和代码如下图: 

void miyao(){    int i, j;    string miyao, miyaoBinary, pc1MiyaoBinary;    string c[17], d[17], temp, pc2Temp;    cout << "请输入密钥:";    while (cin >> miyao)    {        if (miyao.length() < 9) break;        else cout << "密钥不能超过8位,请重新输入:";    }    for (i = 0; i < miyao.length(); i++)    {        miyaoBinary += charToBinary(miyao[i]);    }    //密钥长度不足64bit,补'0'    //64位中,只有56位参与运算,其中8位为校验位    while (miyaoBinary.length() % 64 != 0)    {        miyaoBinary += '0';    }    //从64bit密钥中依据PC-1盒子取出56bit    for (i = 0; i < 56; i++)    {        pc1MiyaoBinary += miyaoBinary[pc1Table[i] - 1];    }    //56bit分成左右两部分    // 左右两部分都为28bit    c[0] = pc1MiyaoBinary.substr(0, 28);    d[0] = pc1MiyaoBinary.substr(28, 28);    产生16轮加密需要的密钥,存入全局变量k[]中    for (i = 1; i <= 16; i++)    {        //根据循环移位表,确定生成该轮密钥移位数目        c[i] = c[i - 1].substr(loopTable[i - 1], 28 - loopTable[i - 1]) + c[i - 1].substr(0, loopTable[i - 1]);        d[i] = d[i - 1].substr(loopTable[i - 1], 28 - loopTable[i - 1]) + d[i - 1].substr(0, loopTable[i - 1]);        //移位后将其合并        temp = c[i] + d[i];        pc2Temp = "";        // 通过PC2成为48bit密钥        for (j = 0; j < 48; j++)        {            pc2Temp += temp[pc2Table[j] - 1];        }        k[i - 1] = pc2Temp;//从1`16    }}

四、AC代码

(1)先建立一个#include "DES.h"的头文件,放入需要的函数

#pragma once#include<iostream>#include<cstdio>#include<string>#include<algorithm>using namespace std;//字符转二进制string charToBinary(char c);//二进制转整型int binaryToInt(string s);//整型转二进制string intToBinary(int i);//异或运算string xorAB(string a, string b);//f函数string f(string right, string k);//明文/密文处理string wen(string wenBinary[], int num);//密钥处理void miyao();//DES 算法测试void DES();

(2)在建立DES.cpp,写出头文件中对应的函数操作

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include "DES.h"//进行标记选择int flag;string k[16]; //16轮密钥存储//PC1选位表int pc1Table[56] ={    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};//左移位数表int loopTable[16] ={    1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1};//PC2选位表int pc2Table[48] ={    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};//置换IP表int ipTable[64] ={    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};//E扩展置换表int extendTable[48] ={    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};//S盒int sBox[8][4][16] ={    //S1    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,    //S2    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,    //S3    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,    //S4    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,    //S5    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,    //S6    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,    //S7    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,    //S8    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};//P换位表int pTable[32] ={    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};//逆置换IP^-1表int ipReverseTable[64] = {    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};//将输入的东西全部看成字符//字符转二进制string charToBinary(char c){    int i, b = c, k = 0, flag = 0;    string result;    //负数就是中文字符    if (b < 0)    {        b = -b;        flag = 1;    }    //英文字符转换成ASCII的倒序,所以后面需要进行逆序    while (k < 8) //这里的8表示char是1个字节=8bit    {        if (b) //这里将ASCII里的字符转换为二进制        {            result += ((b % 2) + '0');  // 其中这里+'0',表示将数字转换为字符            b /= 2;        }        else result += '0';        k++;    }    //汉字字符处理    if (flag)//判断是否为汉字    {        for (i = 0; i < result.length(); i++)   //此时因为是负数,源码、反码、补码不相等,需要置换        {            if (result[i] == '0') result[i] = '1';  // 反码:最高最不变,其它的0->1,,1->0            else result[i] = '0';        }        for (i = 0; result[i] != '0'; i++)        {            result[i] = '0';              //补码 :反码加+1        }        result[i] = '1';    }    reverse(result.begin(), result.end());  //将结果逆序,成为最终的二进制    return result;}//二进制转整型int binaryToInt(string s){    int i, result = 0, p = 1;    for (i = s.length() - 1; i >= 0; i--)    {        result += ((s[i] - '0') * p);   //数字字符转成字符        p *= 2;    }    return result;}//整型转二进制string intToBinary(int i){    int k = 0;    string result;    while (k < 4) //此处,处理进入S盒后取出的数据转为2进制,此处最多用4bit    {        if (i)        {            result += ((i % 2) + '0');            i /= 2;        }        else result += '0';        k++;    }    reverse(result.begin(), result.end());    return result;}//异或运算string xorAB(string a, string b){    int i;    string result;    for (i = 0; i < a.length(); i++)    {                                           //+'0':表示数字转化为数字字符        result += (((a[i] - '0') ^ (b[i] - '0')) + '0');  // -'0':表示数字字符转化为数字    }    return result;}//f函数string f(string right, string k) //其中right 为明文的右分支R0--R16,k当前加密轮密钥{    int i, temp;    string extendBinary, result, b0; //extendBinary用来存放E扩展32bit~48bit的内容    string b[8], row, col;    string b8, pb;    for (i = 0; i < 48; i++)    {        extendBinary += right[extendTable[i] - 1];    }    b0 = xorAB(extendBinary, k);//扩展后的内容与此轮密钥异或操作并将结果存入b0中    for (i = 0; i < 8; i++)  //将b0的内容分成八份,每份六bit,为进入S盒做准备    {        b[i] = b0.substr(i * 6, 6);    }    for (i = 0; i < 8; i++)    {        //6bit的第一位和第六位作为行坐标        row = b[i].substr(0, 1) + b[i].substr(5, 1);        //6bit的第二至五位作为纵坐标        col = b[i].substr(1, 4);        //进行查表        temp = sBox[i][binaryToInt(row)][binaryToInt(col)];        //转到b8中合并----48bit压缩到32bit        b[i] = intToBinary(temp);        b8 += b[i];    }    //进行P盒置换    for (i = 0; i < 32; i++)    {        pb += b8[pTable[i] - 1];    }    //f轮函数结束,返回pb    return pb;}//明文/密文处理string wen(string wenBinary[], int num){    int i, j;    string ipWenBinary[100];  //保存明文    string left[17], right[17], temp, result; //分为左右两个分支    for (i = 0; i < num; i++)    {        temp = ""; //一个暂存明文的字符串        //进行IP置换        for (j = 0; j < 64; j++)  //明文为64bit        {            temp += wenBinary[i][ipTable[j] - 1];        }        ipWenBinary[i] = temp;    }    //进行左右分支,分为left:L0,,,right:R0    for (i = 0; i < num; i++)    {        left[0] = ipWenBinary[i].substr(0, 32);        right[0] = ipWenBinary[i].substr(32, 32);        //        for (j = 0; j < 16; j++)   //进行16次循环        {            left[j + 1] = right[j];   //  left: L1 = R0            //加密和解密的区别            // flag 为全局变量            if (flag == 1) // flage = 1进行加密,否则进行解密                right[j + 1] = xorAB(left[j], f(right[j], k[j]));            else                //倒着进行解密                right[j + 1] = xorAB(left[j], f(right[j], k[15 - j]));        }        temp = right[j] + left[j];  //经过16轮加密/解密,将左右32bit合并        //将加密后的密文进行最后的置换,实际上和初始置换是对称的~!        //每块的加密结果都和在result中,加密可以直接输出比特流        // 进行IP的逆置换        for (j = 0; j < 64; j++)        {            result += temp[ipReverseTable[j] - 1];        }    }    //解密结果输出的是字符    if (flag == 2)    {        string ch;        for (i = 0; i < num * 8; i++) //一个模块是8个bit        {            ch += binaryToInt(result.substr(8 * i, 8)); //每8bit进行一次二进制转整型        }        result = ch;    }    return result;}//密钥处理void miyao(){    int i, j;    string miyao, miyaoBinary, pc1MiyaoBinary;    string c[17], d[17], temp, pc2Temp;    cout << "请输入密钥:";    while (cin >> miyao)    {        if (miyao.length() < 9) break;        else cout << "密钥不能超过8位,请重新输入:";    }    for (i = 0; i < miyao.length(); i++)    {        miyaoBinary += charToBinary(miyao[i]);    }    //密钥长度不足64bit,补'0'    //64位中,只有56位参与运算,其中8位为校验位    while (miyaoBinary.length() % 64 != 0)    {        miyaoBinary += '0';    }    //从64bit密钥中依据PC-1盒子取出56bit    for (i = 0; i < 56; i++)    {        pc1MiyaoBinary += miyaoBinary[pc1Table[i] - 1];    }    //56bit分成左右两部分    // 左右两部分都为28bit    c[0] = pc1MiyaoBinary.substr(0, 28);    d[0] = pc1MiyaoBinary.substr(28, 28);    产生16轮加密需要的密钥,存入全局变量k[]中    for (i = 1; i <= 16; i++)    {        //根据循环移位表,确定生成该轮密钥移位数目        c[i] = c[i - 1].substr(loopTable[i - 1], 28 - loopTable[i - 1]) + c[i - 1].substr(0, loopTable[i - 1]);        d[i] = d[i - 1].substr(loopTable[i - 1], 28 - loopTable[i - 1]) + d[i - 1].substr(0, loopTable[i - 1]);        //移位后将其合并        temp = c[i] + d[i];        pc2Temp = "";        // 通过PC2成为48bit密钥        for (j = 0; j < 48; j++)        {            pc2Temp += temp[pc2Table[j] - 1];        }        k[i - 1] = pc2Temp;//从1`16    }}// 输出函数void DES(){    int i, j, num;    string wenString, wenBinary[100], temp;    while (1)    {        cout << "----------------------------------------------" << endl;        cout << "*****     请选择所需功能: *****" << endl;        cout << "*****       1. 加密        *****" << endl;        cout << "*****       2. 解密        *****" << endl;        cout << "*****       0.退出程序     *****"<< endl;        cout << "----------------------------------------------" << endl;        cin >> flag;        if (!flag)             break;        else if ((flag != 1) && (flag != 2))        {            cout << "输入不合法,请重新输入!" << endl << endl;            continue;        }        num = 0;        miyao();        getchar();        switch (flag)        {        case 1:            cout << "请输入明文:";            getline(cin, wenString);//输入明文            //将明文转成二进制            for (i = 0; i < wenString.length(); i++)            {                temp += charToBinary(wenString[i]);                //字符每满8bit为一组,最后一组可以不满8bit,后面会补0                if (((i + 1) % 8 == 0) || (((i + 1) % 8 != 0) && (i == wenString.length() - 1)))                {                    wenBinary[num++] = temp;                    temp = "";                }            }            //最后一组不满64位就补零,补的零,一定是八的整数倍,二进制00000000为null空字符,不输出            while (wenBinary[num - 1].length() % 64 != 0)            {                wenBinary[num - 1] += '0';            }            cout << "加密结果为(二进制):" << wen(wenBinary, num) << endl << endl;            break;        case 2:            cout << "请输入密文(二进制):";            cin >> wenString;            for (i = 0; i * 64 < wenString.length(); i++)            {                wenBinary[num++] = wenString.substr(i * 64, 64);            }            cout << "解密结果为(字符):" << wen(wenBinary, num) << endl << endl;            break;        case 3:            exit(0);        default :            cout << "输入错误,请重新输入" << endl;        }    }}

(3)最后在test.c中测试就可以啦!

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include "DES.h"void menu(){    cout << "**********************************************" << endl;    cout << "**********************************************" << endl;    cout << "***********欢迎来到DES加密测试系统************" << endl;    cout << "**********************************************" << endl;    cout << "**********************************************" << endl;}int main(){    menu();    DES();    return 0;}

五、DES算法的测试

 六、共勉

    这篇就是我对DES加密解密算法的理解,如果有不懂或者有问题的小伙伴可以在评论区里说出来哦,我们一起加油哦!!!


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