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浅析加密算法五【DES密码】

MangataTS 发布时间：2022-05-29 00:41:12 ，浏览量：0

文章目录
    • 一、简介
    • 二、原理
      • 2.1 明文加密流程
      • 2.2 密钥生成流程
      • 2.3 初始置换IP
      • 2.4 F轮变换
        • 2.4.1 拓展置换
        • 2.4.2 异或运算
        • 2.4.3 S盒子压缩
        • 2.4.4 P盒子置换
      • 2.5 初始逆变换
    • 三、算法特点
    • 四、安全隐患
    • 五、代码实现
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−1​XorF(Ri−1​,Ki​)
  • 逆初始置换IP

流程图如下图： 在这里插入图片描述

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：

在这里插入图片描述

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： 在这里插入图片描述 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：

在这里插入图片描述

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 b1​b2​b3​b4​b5​b6​ 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 b1​b6​ 构成，列则是由 b 2 b 3 b 4 b 5 b_2b_3b_4b_5 b2​b3​b4​b5​ 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 在这里插入图片描述 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

在这里插入图片描述

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
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