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使用C++编写程序进行DES加密和解密操作

2023-06-29 13:56:41 深夜i -- --

C++ DES加密解密操作编程程序设计

DES（Data Encryption Standard）是一种流行的对称加密算法，它被广泛用于保护数据的机密性。虽然现在已经被更高级的加密算法所取代，但是它仍然是很多旧系统中常用的加密算法。

在本文中，我们将介绍如何使用C++编写程序来执行DES加密和解密操作。在开始之前，需要先了解一些基本的加密术语和概念。

对称加密算法：使用同一个密钥进行加密和解密的算法。

密码块：加密算法对明文按特定方式进行分块处理的单元。

密钥长度：加密算法使用的密钥的二进制位数目。

密钥计划：加密算法将输入密钥转换成子密钥的过程。

现在，我们进入程序的编写过程。首先，我们需要定义常量和变量，以及引入必要的头文件：


#include<bitset>
#include<iostream>
#include<cstring>
using namespace std;
const int IP_table[] = 11;
const int PC1_table[] =
  10;
const int PC2_table[] = 48;
const int expand_table[] =
  8;
const int S1[4][16] = { 9,
             7,
             15,
             0 };
const int S2[4][16] = { 6,
             6,
             13,
             11 };
const int S3[4][16] = { 6,
             14,
             12,
             11 };
const int S4[4][16] = { 0,
             10,
             12,
             13 };
const int S5[4][16] = { 0,
             8,
             12,
             9 };
const int S6[4][16] = { 1,
             15,
             8,
             2 };
const int S7[4][16] = { 6,
             11,
             14,
             0 };
const int S8[4][16] = { 11,
             15,
             9,
             12 };
const int P_table[] = 29;
const int IP_inverse_table[] = 28;
const int KEY_LENGTH = 64;//密钥长度
const int BLOCK_LENGTH = 64;//块长度
const int KEY_ROUND = 16;//迭代轮数
bitset<64> input_block;//输入数据块
bitset<64> output_block;//输出数据块
bitset<48> sub_key[KEY_ROUND];//存储子密钥

接下来，我们需要编写主程序的加密和解密函数。首先是密钥的处理函数：


//密钥处理函数
bitset<56> key_process(string key) {
  bitset<56> processed_key;
  for (int i = 0; i < KEY_LENGTH; i++) {
    processed_key.set(55 - i % 8 * 7 - i / 8, key[KEY_LENGTH - i - 1] - '0');
  }
  return processed_key;
}
//生成子密钥函数
void generate_subkey(bitset<56> processed_key) {
  bitset<28> C, D;
  for (int i = 0; i < 28; i++) {
    C.set(27 - i, processed_key[PC1_table[i] - 1]);
    D.set(27 - i, processed_key[PC1_table[i + 28] - 1]);
  }
  for (int i = 0; i < KEY_ROUND; i++) {
    C = (C << (i + 1)) | (C >> (28 - i - 1));
    D = (D << (i + 1)) | (D >> (28 - i - 1));
    bitset<56> temp = (C.to_ulong(), D.to_ulong());
    for (int j = 0; j < 48; j++) {
      sub_key[i][47 - j] = temp[PC2_table[j] - 1];
    }
  }
}

然后是加密和解密的核心函数：


//加密过程函数
bitset<64> encryption(bitset<64> plain_text) {
  bitset<64> cipher_text;
  //初始置换
  for (int i = 0; i < BLOCK_LENGTH; i++) {
    input_block.set(63 - i, plain_text[IP_table[i] - 1]);
  }
  //分为左右两半
  bitset<32> L, R, pre_L;
  for (int i = 0; i < 32; i++) {
    L.set(31 - i, input_block[63 - i]);
    R.set(31 - i, input_block[31 - i]);
  }
  for (int i = 0; i < KEY_ROUND; i++) {
    pre_L = L;
    L = R;
    R = pre_L ^ s_box(expand(R) ^ sub_key[i]);
  }
  for (int i = 0; i < 32; i++) {
    cipher_text.set(31 - i, R[i]);
    cipher_text.set(63 - i, L[i]);
  }
  //逆初始置换
  for (int i = 0; i < BLOCK_LENGTH; i++) {
    output_block.set(63 - i, cipher_text[IP_inverse_table[i] - 1]);
  }
  return output_block;
}
//解密过程函数
bitset<64> decryption(bitset<64> cipher_text) {
  bitset<64> plain_text;
  //初始置换
  for (int i = 0; i < BLOCK_LENGTH; i++) {
    input_block.set(63 - i, cipher_text[IP_table[i] - 1]);
  }
  //分为左右两半
  bitset<32> L, R, pre_L;
  for (int i = 0; i < 32; i++) {
    L.set(31 - i, input_block[63 - i]);
    R.set(31 - i, input_block[31 - i]);
  }
  for (int i = KEY_ROUND-1; i >=0 ; i--) {
    pre_L = L;
    L = R;
    R = pre_L ^ s_box(expand(R) ^ sub_key[i]);
  }
  for (int i = 0; i < 32; i++) {
    plain_text.set(31 - i, R[i]);
    plain_text.set(63 - i, L[i]);
  }
  //逆初始置换
  for (int i = 0; i < BLOCK_LENGTH; i++) {
    output_block.set(63 - i, plain_text[IP_inverse_table[i] - 1]);
  }
  return output_block;
}

最后，我们需要将以上函数整合起来，在主函数中读取输入文件并进行加密解密操作：


int main()
{
  string key;
  ifstream in("input.txt");
  ofstream out("output.txt");
  getline(in, key);
  bitset<56> processed_key = key_process(key);
  generate_subkey(processed_key);
  while (getline(in, key)) {
    if (key.length() != 16)
      cout << "该字符串不能进行DES加密或解密！" << endl;
      return -1;
    
    bitset<64> plain_text(key);
    bitset<64> cipher_text = encryption(plain_text);
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
      out << hex << cipher_text.to_ulong() / (unsigned long long)pow(2, 8 * (7 - i)) % 256;
    }
    out << endl;
    plain_text = decryption(cipher_text);
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
      out << hex << plain_text.to_ulong() / (unsigned long long)pow(2, 8 * (7 - i)) % 256;
    }
    out << endl;
  }
  in.close();
  out.close();
}

在执行完上述程序后，将会在输出文件中生成加密和解密后的结果。

总结来说，DES是一种流行的对称加密算法，它能够有效地保护数据的机密性。使用C++编写程序进行DES加密和解密操作，可以有效地加强数据的保护和机密性。同时，该程序还可以使用多种不同的加密和解密方式，以满足用户不同的安全需求。

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