DES算法C++实现指南
DES算法是一种常用的加密算法,能够对数据进行安全的加密,保护数据不被非法获取或篡改。在实际应用中,经常需要使用DES算法对数据进行加密,保证数据的安全性和保密性。本文将介绍如何使用C++来实现DES算法,以便读者能够深入了解算法实现的细节。
实现步骤:
1. 定义DES算法的数据结构
首先需要定义DES算法中使用的数据结构,这些数据结构包括了轮密钥产生算法中使用的左移位数,S盒和置换矩阵等。在C++中可以使用struct或者class来定义这些数据结构,代码如下:
struct DES
{
static const int IP[]; // 初始置换
static const int IIP[]; // 逆置换
static const int PC1[]; // 压缩置换 1
static const int PC2[]; // 压缩置换 2
static const int E[]; // 扩展置换
static const int P[]; // 置换
static const int S_BOX[][64]; // 8个S盒
static const int SHIFT[]; // 加密过程中循环移位的位数
static const unsigned int MASK[]; // 位掩码
};
2. 实现加密函数
DES算法的加密函数包括了初始置换、轮置换、扩展置换、S盒代替、置换函数、轮密钥生成等多个过程。一个完整的加密过程需要对64位的明文分为左右两个32位进行加密,然后进行16轮的加密过程,最后进行逆置换得到密文。实现加密函数的代码如下:
void DesEncrypt(const unsigned char* plainText, const unsigned char* key, unsigned char* cipherText)
{
unsigned int left = 0, right = 0;
unsigned int newLeft = 0, newRight = 0;
unsigned int perm = 0;
unsigned int subKey[16] = { 0 };
// 初始置换
perm = permute(plainText, DES::IP, 64);
left = perm >> 32;
right = (perm << 32) >> 32;
// 生成16个子密钥
generateSubkeys(key, subKey);
// 16轮加密过程
for (int i = 0; i < 16; ++i) {
newLeft = right;
newRight = left ^ f(right, subKey[i]);
left = newLeft;
right = newRight;
}
// 逆置换
perm = (unsigned int)left << 32 | right;
permute(&perm, DES::IIP, 64);
memcpy(cipherText, &perm, 8);
}
在上述代码中,permute函数表示进行置换操作,generateSubkeys函数表示生成16个子密钥,f函数表示轮函数。其中,轮函数的实现是DES算法的核心部分,它包括了扩展置换、S盒代替、置换矩阵等过程。轮函数的实现如下:
unsigned int f(unsigned int right, unsigned int subKey)
{
unsigned int perm = 0;
unsigned int expandRight = permute(&right, DES::E, 48);
expandRight ^= subKey;
int sBoxs[8] = { 0 };
for (int i = 7; i >= 0; --i) {
sBoxs[i] = expandRight & 0x3F;
expandRight >>= 6;
}
int sBoxIndex = 0;
expandRight = 0;
for (int i = 7; i >= 0; --i) {
int row = ((sBoxs[i] & 0x20) >> 4) | (sBoxs[i] & 0x01);
int col = (sBoxs[i] & 0x1E) >> 1;
expandRight |= DES::S_BOX[i][16 * row + col] << sBoxIndex;
sBoxIndex += 4;
}
perm = permute(&expandRight, DES::P, 32);
return perm;
}
在轮函数中,expandRight表示进行扩展置换后的48位数据,子密钥subKey和expandRight进行异或操作,然后把48位数据分为8个6位数据,分别进行S盒代替操作,最后再进行置换矩阵得到32位数据,这些操作都依据DES算法标准规定。
3. 实现解密函数
DES算法的解密函数与加密函数类似,只是在子密钥的使用顺序和轮函数的实现中稍微有些不同。实现解密函数的代码如下:
void DesDecrypt(const unsigned char* cipherText, const unsigned char* key, unsigned char* plainText)
{
unsigned int left = 0, right = 0;
unsigned int newLeft = 0, newRight = 0;
unsigned int perm = 0;
unsigned int subKey[16] = { 0 };
// 初始置换
perm = permute(cipherText, DES::IP, 64);
left = perm >> 32;
right = (perm << 32) >> 32;
// 生成16个子密钥
generateSubkeys(key, subKey);
// 16轮解密过程,子密钥顺序反向使用
for (int i = 15; i >= 0; --i) {
newLeft = right;
newRight = left ^ f(right, subKey[i]);
left = newLeft;
right = newRight;
}
// 逆置换
perm = (unsigned int)left << 32 | right;
permute(&perm, DES::IIP, 64);
memcpy(plainText, &perm, 8);
}
在解密函数中,轮密钥生成的过程与加密函数一样,但是在轮函数的实现中,子密钥的使用顺序需要反向使用。
4. 实现辅助函数
除了加密和解密函数之外,还需要实现一些用于辅助实现DES算法的函数,比如置换函数、位操作函数、F函数等。在C++中,可以使用指针或引用等方式更加高效地实现这些函数,代码如下:
unsigned int permute(const unsigned char* data, const int* table, int tableSize)
{
unsigned int result = 0;
for (int i = 0; i < tableSize; ++i) {
result <<= 1;
result |= (data[table[i] / 8] & DES::MASK[table[i] % 8]) ? 1 : 0;
}
return result;
}
unsigned int permute(unsigned int* data, const int* table, int tableSize)
{
unsigned int result = 0;
for (int i = 0; i < tableSize; ++i) {
result <<= 1;
result |= ((*data) & (1 << (64 - table[i]))) ? 1 : 0;
}
return result;
}
unsigned int circularShift(unsigned int data, int bits)
{
unsigned int temp = (data << bits) | (data >> (32 - bits));
return temp;
}
unsigned int leftShift(unsigned int data, int bits)
{
unsigned int temp = (data << bits);
return temp;
}
unsigned int rightShift(unsigned int data, int bits)
{
unsigned int temp = (data >> bits);
return temp;
}
void generateSubkeys(const unsigned char* key, unsigned int* subKeys)
{
unsigned int left = 0, right = 0;
unsigned int newLeft = 0, newRight = 0;
unsigned int perm = 0;
// 使用压缩置换 1
perm = permute(key, DES::PC1, 56);
left = perm >> 28;
right = (perm << 36) >> 36;
// 生成16个子密钥
for (int i = 0; i < 16; ++i) {
newLeft = circularShift(left, DES::SHIFT[i]);
newRight = circularShift(right, DES::SHIFT[i]);
subKeys[i] = permute((newLeft << 28) | newRight, DES::PC2, 48);
left = newLeft;
right = newRight;
}
}
5. 测试程序
为了验证函数实现的正确性,需要编写一些测试程序来进行测试。测试程序可以随机产生明文和密钥,进行加密解密操作,然后打印出明文、密钥和加密解密结果,或者进行文件加密解密操作。测试程序的代码如下:
void testDesAlgorithm()
{
printf("DES Algorithm Test\n");
srand(time(nullptr));
unsigned char plainText[8] = { 0 };
unsigned char key[8] = { 0 };
unsigned char cipherText[8] = { 0 };
unsigned char newPlainText[8] = { 0 };
for (int i = 0; i < 8; ++i) {
plainText[i] = rand() % 256;
key[i] = rand() % 256;
}
printf("Plain Text: ");
printHex(plainText, 8);
printf("Key: ");
printHex(key, 8);
DesEncrypt(plainText, key, cipherText);
printf("Cipher Text: ");
printHex(cipherText, 8);
DesDecrypt(cipherText, key, newPlainText);
printf("New Plain Text: ");
printHex(newPlainText, 8);
}
在测试程序中,使用srand函数来设置随机数种子,然后随机生成明文和密钥,进行加密解密操作并打印出结果。
综上所述,使用C++来实现DES加密算法需要定义数据结构,实现加密、解密和辅助函数等多个步骤。在实际应用中,还需要考虑到DES算法的强度和安全性等问题,以便进行更加安全的数据保护和加密操作。
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