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C++实现DES算法

2023-07-06 22:21:15 深夜i -- --

C++ DES算法加密解密数据安全

DES（Data Encryption Standard）是一种对称加密算法，用于保护数据的安全性。C++作为一种高级编程语言，可以方便地实现DES算法。

DES算法使用了一个称为S盒的置换表，将64位的输入数据分成16块，每块由48位的掩码进行扩展。掩码的一些位将被复制，而其他的一些位将被舍弃，得到48位的掩码。接着，使用密钥和48位的掩码作为输入来生成一个48位的密钥。在进行明文加密时，使用密钥和数据块分别输入16个S盒，生成16个48位输出。最后，这16个48位的输出块通过置换表再次置换，与之前的64位输入区块组合起来，得到密文。

下面是使用C++实现DES算法的代码示例：


#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <bitset>
#include <cstdio>
#include <ctime>
#define KEY_SIZE 64
#define BLOCK_SIZE 64
#define ROUND 16
using namespace std;
// Initial Permutation Table
int IP[] = 31;
// Inverse Initial Permutation Table
int IP1[] = 1;
// Permutation Table
int P[] = 17;
// Expansion Table
int E[] = 24;
// S-boxes (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8)
int S_Box[9][4][16] = {
  // S1
  {
     6,
     12,
     7,
     14
  },
  // S2
  {
     7,
     3,
     5,
     2
  },
  // S3
  {
     10,
     15,
     5,
     7
  },
  // S4
  {
     11,
     3,
     3,
     14
  },
  // S5
  {
     2,
     6 ,
     14 ,
     7
  },
  // S6
  {
     14,
     8 ,
     12,
     4
  },
  // S7
  {
     6,
     15,
     6,
     11
  },
  // S8
  {
     9,
     14,
     15,
     2
  }
};
bitset<64> plaintext, ciphertext, key1, key2;
//Get 64-bit key from user
void get_key_from_user() {
  string key_input;
  cout << "Enter key of length 8 characters: " << endl;
  cin >> key_input;
  while (key_input.size() != 8)
    cout << "Invalid key entered. Please enter a key of length 8 characters: " << endl;
    cin >> key_input;
  
  bitset<64> key(key_input.c_str()[0]);
  for (int i = 1; i < 8; i++) {
    key = (key << 8) | bitset<64>(key_input.c_str()[i]);
  }
  key1 = permute(key, IP);
  generate_keys(key1);
  key2 = permute(key1, P);
}
//Generate two keys from initial key
void generate_keys(bitset<64> key) {
  bitset<28> left_part = key.to_string().substr(0, 28); //Get the left half of the key
  bitset<28> right_part = key.to_string().substr(28, 28); //Get the right half of the key
  for (int i = 0; i < ROUND; i++) {
    //Circular shift the halves
    left_part = left_part << 1;
    right_part = right_part << 1;
    if (left_part[0] == 1) left_part[28] = 1;
    if (right_part[0] == 1) right_part[28] = 1;
    bitset<56> combined_key = left_part.to_ulong();
    combined_key = (combined_key << 28) | right_part.to_ulong();
    bitset<48> sub_key = permute(combined_key, E);
    sub_key = sub_key ^ key2.to_ulong();
    int row = (sub_key[47] << 1) | sub_key[42];
    int col = (sub_key[46] << 3) | (sub_key[45] << 2) | (sub_key[44] << 1) | sub_key[43];
    int val = S_Box[i + 1][row][col];
    bitset<4> binary(val);
    bitset<48> binary_sub_key(sub_key.to_ulong());
    for (int j = 0; j < 4; j++) {
      binary_sub_key[(7 - j) * 4 + 3] = binary[j];
    }
    key2 = permute(binary_sub_key, P);
  }
}
//64-bit Initial Permutation IP
bitset<64> permute(bitset<64> data, int *table, int size = 64) {
  bitset<64> result;
  for (int i = 0; i < size; i++) {
    result[i] = data[table[i] - 1];
  }
  return result;
}
//Apply the encryption algorithm on plaintext and return ciphertext
bitset<64> encrypt(bitset<64> plaintext) {
  bitset<64> block = permute(plaintext, IP);
  bitset<32> left_half = block.to_string().substr(0, 32);
  bitset<32> right_half = block.to_string().substr(32, 32);
  bitset<48> sub_key;
  for (int i = ROUND - 1; i >= 0; i--) {
    bitset<32> temp = right_half;
    sub_key = permute(right_half, E) ^ key2; //Permuted Choice 2 (PC-2)
    int row = (sub_key[47] << 1) | sub_key[42];
    int col = (sub_key[46] << 3) | (sub_key[45] << 2) | (sub_key[44] << 1) | sub_key[43];
    int val = S_Box[i + 1][row][col];
    bitset<4> binary(val);
    bitset<32> new_right_half = permute(binary.to_ulong(), P) ^ left_half;
    left_half = temp;
    right_half = new_right_half;
  }
  block = right_half.to_ulong();
  block = (block << 32) | left_half.to_ulong();
  ciphertext = permute(block, IP1);
  return ciphertext;
}
int main() {
  string plaintext_input;
  cout << "Enter plaintext of length 8 characters: " << endl;
  cin >> plaintext_input;
  while (plaintext_input.size() != 8)
    cout << "Invalid plaintext entered. Please enter plaintext of length 8 characters: " << endl;
    cin >> plaintext_input;
  
  bitset<64> plaintext(plaintext_input.c_str()[0]);
  for (int i = 1; i < 8; i++) {
    plaintext = (plaintext << 8) | bitset<64>(plaintext_input.c_str()[i]);
  }
  get_key_from_user();
  encrypt(plaintext);
  cout << "Cipher text: ";
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    printf("%02X ", ciphertext.to_string().substr(i * 8, 8).to_ulong());
  }
  cout << endl;
  return 0;
}

在这个例子中，我们首先从用户处获取一个长度为8的密钥，并使用Initial Permutation table将其重排。然后，使用这个密钥来生成两个48位的子密钥。在加密过程中，我们首先使用Initial Permutation table将64位明文重排，然后使用S盒进行16轮的加密。最后，使用Inverse Initial Permutation table将密文重新排列，并在控制台上输出。

需要注意的是，这是一个演示程序，目的是介绍DES算法。实际应用中，需要考虑更多的因素，比如安全性、性能等。因此，如果您要使用DES算法来保护您的数据，请在您的应用程序中使用由专业安全人员编写的可信的加密库。

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