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DES算法C++实现指南

2023-06-23 19:50:07 深夜i -- --

DES算法 C++ 实现指南加密解密

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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