浅析加密算法五【DES密码】

视频推荐： https://www.bilibili.com/video/BV1KQ4y127AT 一、简介

DES全称为Data Encryption Standard，即数据加密标准，是一种使用密钥加密的块算法， 1977 1977 1977 年被美国联邦政府的国家标准局确定为联邦资料处理标准（FIPS），并授权在非密级政府通信中使用，随后该算法在国际上广泛流传开来。需要注意的是，在某些文献中，作为算法的DES称为数据加密算法（Data Encryption Algorithm,DEA），已与作为标准的DES区分开来。

二、原理 2.1 明文加密流程

• 首先将明文分为每 64 64 64 位分为一组，共 N N N 组
• 通过一个初始置换IP
• 将明文的每一个组分为左半部分和右半部分，各自 32 32 32 位长
• 然后进行 16 16 16 轮的 F F F 轮变换函数运算（这一步统称为乘积变换，具体细节下面会讲到）
  • 1.E扩展置换（32位 ->48位）
  • 2.异或（48位 -> 48位）
  • 3.S盒子替换（48位 -> 32位）
  • 4.P置换（32位 -> 32 位）
• L i L_i Li 直接等于 R i − 1 R_{i-1} Ri−1 ， R i R_i Ri 是等于 L i − 1 X o r F ( R i − 1 , K i ) L_{i-1} Xor F(R_{i-1},K_i) Li−1XorF(Ri−1,Ki)
• 逆初始置换IP

流程图如下图：

2.2 密钥生成流程

上面的明文加密流程并未提到密钥，其实密钥主要是用于 R i R_i Ri 的生成，我们将 R i − 1 R_{i-1} Ri−1 和 K i K_{i} Ki 进行一个异或的运算，那么对于 每一轮子密钥 （总共 16 16 16 轮）的生成流程如下：

• 置换选择1（和上面提到的初始置换一样），将 64 64 64 位密钥降低到 56 56 56 位，去掉的是 8 8 8 位奇偶校验位
• 将此时的 56 56 56 位密钥分为左右两组，都为 28 28 28 位
• 我们再根据轮数表查询对应需要 循环左移 的位数（这里要将这 28 28 28 位数想象成一个环，然后再循环位移）
• 合并左右两组密钥，然后对合并的密钥进行一个置换选择2，此时就将 56 56 56 位长的密钥降低到了 48 48 48 位

流程图如下图：

2.3 初始置换IP

每一组明文都是 64 64 64 位，我们通过给定的地址映射表，假设表中的第 i i i 个元素的值为 a i a_i ai 那么我们就需要按照这张表的值来不断交换 明文中第 i i i 个位置的值和第 a i a_i ai 个位置的值

假设我们得到一个置换表： 对于第一个位置，我们就需要和第 58 58 58 位的值进行交换，第二个和第 50 50 50 位的值进行互换依次类推，最终实现将 64 64 64 位明文的 位置顺序打乱

2.4 F轮变换 2.4.1 拓展置换

对于每一个 32 32 32 位的数据，我们从前往后依次分为 8 8 8 组，每一组有 4 4 4 位的数据，我们将这个数据想象成一个 环形的 ，假设我们现在对第 i i i 组数据进行拓展，那么我们第 i i i 组数据的前面新增第 i − 1 i-1 i−1 组的第4位，第 i i i 组数据的后面新增第 i + 1 i+1 i+1 组数据的第一位 （注意的是这里的位数都是未拓展前的，也就是 4 4 4 位，下面举例可能好理解点）

我们举个例子，假设现在有这样的三组数据： 0010 1101 1001 0010 \ 1101 \ 1001 0010 1101 1001 我们需要将这个进行一个E拓展对于第一组，我们需要在前面加上第三组的最后一位即0，然后在后面加上第二组的第一位即1，就得到了第一组的拓展结果000101

第二组需要在前面加上第一组的最后一位即0，然后在后面加上第三组的第一位即1，最后得到011011

同理第三组得到：110010

或者可以参考下面的结构图：

2.4.2 异或运算

经过E拓展置换后我们得到了 48 48 48 位的数据，然后此时我们需要和 当前轮 的子密钥进行异或运算，关于子密钥的生成可以参考上文

2.4.3 S盒子压缩

我们将 48 48 48 位的数据按照 6 6 6 位分一组，总共分为 8 8 8 组，也成为 8 8 8 个 S S S 盒子

对于每一个 S S S 盒子我们都有一个对应的一个替换表，我们假设当前的盒子为 b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 b 6 b_1b_2b_3b_4b_5b_6 b1b2b3b4b5b6 我们需要将其转化为新的数据，那么需要在替换表中查找新的数据，对于查找的行就是由 b 1 b 6 b_1b_6 b1b6 构成，列则是由 b 2 b 3 b 4 b 5 b_2b_3b_4b_5 b2b3b4b5 构成

例如，我们现在有一个 S S S 盒子：110011，然后我们就能知道在替换表中查找的行为： 1 1 2 = 3 11_2 = 3 112=3 ，列为 100 1 2 = 9 1001_2 = 9 10012=9，也就是第 3 3 3 行，第 9 9 9 列，那么这个值在替换表中为 14 14 14 对于每一个组进行一个 S S S 盒子替换后最后能得到一个 32 32 32 位的数据

2.4.4 P盒子置换

将 S S S 盒子的 32 32 32 位输出数据作为输入，再次通过一个位置置换表（和开始的初始置换IP一样的操作），将当前数据的顺序重新排列，至此一次 F F F 轮函数操作完成

2.5 初始逆变换

经过16轮的F轮变换函数就来到了最后的一次变换 初始逆变换 ，初始逆变换其实和初始变换是一样的操作，将当前的 64 64 64 位数据进行重新排序，至此 D E S DES DES 加密完成

三、算法特点

• 分组加密算法 。以64位为分组，64位一组的明文从算法一端输入，64位密文从另一端输出
• 对称算法，加密和解密用同一密钥
• 有效密钥长度为56位。密钥通常表示为 64位 数，但每个第8位用作奇偶校验，可以忽略
• 替代和置换 。DES算法是两种加密技术的组合——先替代后置换
• 易于实现 。DES算法只是使用了标准的算术和逻辑运算，其作用的数最多也只有64位，因此用20世纪70年代末期的硬件技术很容易实现

四、安全隐患

• 密钥太短 。DES的初始密钥实际长度只有 56 56 56 位，批评者担心这个密钥长度不足以抵抗穷举搜索攻击，穷举搜索攻击破解密钥最多尝试的次数为次，不太可能提供足够的安全性。 1998 1998 1998 年前只有 D E S DES DES 破译机的理论设计， 1998 1998 1998 年后出现实用化的 D E S DES DES 破译机
• DES的半公开性 。 D E S DES DES算法中的8个盒替换表的设计标准（指详细准则）自DES公布以来仍未公开，替换表中的数据是否存在某种依存关系，用户无法确认
• DES迭代次数偏少 。 D E S DES DES 算法的 16轮迭代次数被认为偏少 ，在以后的 D E S DES DES 改进算法中，都不同程度地进行了提高

五、代码实现

留坑，后面自己实现一个，目前引用的是樱木之博主的代码

#include  #include  #include  using std::vector; using namespace std; // using namespace std::cout; // using namespace std::endl; // using namespace std::string; // unsigned int 刚好是 64bit = 8Byte = 8 * char class DES { public: DES(); // 构造函数 // function void setKey(string k); // 设置初始密钥的函数 void setPlainText(string p); // 设置明文的函数 unsigned long long permutations(unsigned long long num, const int p[], int pmax, int n); // 用于密钥生成、加解密过程的各类置换的函数 void genEncKey(); // 生成加密、解密的子密钥的过程 unsigned long long SBoxes(unsigned long long num); // S盒计算 void encryption(); // 用于加密函数 void decryption(); // 用于解密函数 void showBinary(unsigned long long num); // 将数据以二进制形式显示的函数，用于检查数据计算过程 void showResult(); // 用于显示解密，解密结果的函数 private: unsigned long long keyShift(unsigned long long k, int n); unsigned long long key; // 输入的密钥 unsigned long long plainText; // 明文 unsigned long long cipherText; // 密文 unsigned long long decipherText; // 经过解密后的密文，理论上应该等于明文 unsigned long long encKey[16]; // 由密钥生成的16个子密钥 static const int IP[64]; // 初始IP置换 static const int IPI[64]; // IP置换的逆置换 static const int keyIP[56]; // 密钥置换数组，将密钥从64bit->56bit static const int encKeyRound[16]; // 生成子密钥时左移数组 static const int CP[48]; // 密钥压缩置换数组，将密钥从56bit->48bit static const int EP[48]; // 扩展置换的数组，将明文从32bit->48bit static const int SBox[32][16]; // S盒运算 static const int P[32]; // S盒运算后的P置换数组 }; /// 初始化 DES::DES(){ key = 0; plainText = 0; cipherText = 0; decipherText = 0; } /// 用于加密。将进来的明文进行ip置换，64bit->64bit const int DES::IP[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}; /// 用于加密。将经过16轮轮变换的text进行ipi置换，即ip逆置换，64bit->64bit const int DES::IPI[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}; /// 用于生成密钥。将密钥PC1置换，64bit->56bit const int DES::keyIP[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}; /// 用于生成密钥。生成子密钥时左移数组个数 const int DES::encKeyRound[16] = {1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1}; /// 用于生成密钥。PC2置换，56bit->48bit const int DES::CP[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}; /// 用于加密中轮运算。E扩展置换，32bit->48bit const int DES::EP[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}; /// 用于加密中轮运算。S盒置换，48bit->32bit const int DES::SBox[32][16] = { 14, 4, 13, 1, 2, 15, 11, 8, 3, 10, 6, 12, 5, 9, 0, 7, //S1 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, //S2 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, //S3 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, //S4 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, //S5 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, //S6 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,//S7 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 //S8 }; /// 用于加密中轮运算。P盒置换，32bit->32bit const int DES::P[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}; /// 输入密钥为8Byte的字符串，转换为unsigned long long 类型 64bit void DES::setKey(string k) { int i ; unsigned long long c; for (i = 0; i< 8; i++){ c = k[i]; key = (c<<(7-i) * 8) | key; // key等于左移后的c } } /// 输入明文为8Byte的字符串，转换为unsigned long long 类型 64bit void DES::setPlainText(string p){ int i; unsigned long long c; for (i = 0; i< 8; i++){ c = p[i]; plainText = (c<<(7-i)*8) | plainText; } } /// 生成子密钥 void DES::genEncKey(){ unsigned long long gkey; gkey = permutations(key, keyIP, 64, 56); // 密钥初始置换。64bit->56bit int i; for(i=0; i<16; i++){ gkey = keyShift(gkey, encKeyRound[i]); // 左移 encKey[i] = permutations(gkey, CP, 56, 48); // 密钥压缩置换。56bit->48bit } } /// 密钥循环左右移 unsigned long long DES::keyShift(unsigned long long k, int n){ unsigned long long tempKey = 0; unsigned long long L, R; L = (k&0xFFFFFFF0000000LL)>>28; //cout<<"L:"<