DES原理學習以及C語言實現（五）

五、十六輪循環以及IP逆置換

循環十六次上一篇中的步驟。

IP逆置換表如下（其置換方法與IP置換一樣）：

逆置換的數據就是最終的加密密文。

C語言代碼：（完整的，未整理）

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>//要使用malloc是要包含此頭文件
#include <memory.h>//要使用memset是要包含此頭文件

int plaintextBinary[64];  //明文二進制
int ciphertextBinary[64];  //密文二進制
char HexadecimalCiphertext[16]={0};  //十六進制密文  最終加密後密文  
int inputBinary[64];   //輸入
int outputBinary[64];  //輸出
int keyBinary64[64];    //二進制key
int temporary[56]={0};  //置換過後的key 以及第n輪移位後的key
//char keyBinary56[16][64];  //i輪的子密鑰
int subKeyBinary[16][48];  //子密鑰
int lefeLi[32];  //左半部分
int rightRi[32];  //右半部分
int expand[48];  //擴展後的
int xor[48];  //異或後的
int temp[32];  //臨時放左右部分的數據  或者s盒時的數據
int temp1[32];  //臨時放數據  無實際意義
// 正向置換表
int DES_IP[] = 
{
	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
};

// 逆向置換表
int DES_NIP[] = 
{
	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
};
//PC-1置換表
int DES_PC_1[]=
{
	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
};
//移位表
int shift[]=
{
	1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1
};
//壓縮表PC-2
int condense[]=
{
	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
};

//擴展置換表
int expands[]=
{
	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
};

//s盒
int S1[4][16]=
{
	{14,4,13,1,2,15,11,8,3,10,6,12,5,9,0,7},
	{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}
};

int S2[4][16]=
{
	{15,1,8,14,6,11,3,4,9,7,2,13,12,0,5,10},
	{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}
};
int S3[4][16]=
{
	{10,0,9,14,6,3,15,5,1,13,12,7,11,4,2,8},
	{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}
};
int S4[4][16]=
{
	{7,13,14,3,0,6,9,10,1,2,8,5,11,12,4,15},
	{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}
};
int S5[4][16]=
{
	{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}
};
int S6[4][16]=
{
	{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}
};
int S7[4][16]=
{
	{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}
};
int S8[4][16]=
{
	{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}
};

//P盒置換表
int PPP[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
};


//PKCS7Padding  填充方式
//對加密數據字節長度對8取餘爲r，如r大於0，
//則補8-r個字節，字節爲8-r的值；如果r等於0，則補8個字節8。
//比如：
//加密字符串爲爲AAA，則補位爲AAA55555;
//加密字符串爲BBBBBB，則補位爲BBBBBB22；
//加密字符串爲CCCCCCCC，則補位爲CCCCCCCC88888888
//在這裏爲了簡單，如果r=0，就不補充
char *Padding(char *p,int m)
{
	int n=8-m;
	int i;
	if(m==8)
		return p;
	else
	{
		for(i=m;i<8;i++)
		{
			p[i]=(char)('0'+n);   
		}
		printf("\n填充過後的：");
		for (i=0;i<8;i++)//數組賦值
		{
			printf("%c",p[i]);
		}
		return p;
	}
}

//將用戶的輸入轉換位二進制
void *toPlainTextBinary(char *p)
{
	int temp;  //臨時存放
	int a =1;  //二進制時的餘數
	int m=0;
	int i,j,k;  //用於循環
	int b[8]={0};  //存放每個字符二進制
	printf("\n");
	for(i =0;i<8;i++)
	{
		temp = p[i];
		for(j=0;j<8;j++)
		{
			a=(int)temp%2;
			temp=temp/2;
			b[j]=a;
		}
		for(j=7;j>=0;j--)
		{
			inputBinary[m++]=b[j];
		}
	}
	printf("該數二進制爲:");
	for(j=0;j<64;j++)
	{
		if(j%8==0)
			printf("\n");
		printf("%d",inputBinary[j]);
	}
	printf("\n");
}


//置換函數IP
void IP()
{
	int i;
	printf("IP置換後的明文：\n");
	for(i=0;i<64;i++)
	{
		plaintextBinary[i]=inputBinary[DES_IP[i]-1];
	}
	for(i=0;i<64;i++)
	{
		if(i%8==0&&i!=0)
			printf("\n");
		printf("%d",plaintextBinary[i]);

	}
}

//將用戶的輸入的密鑰轉換位二進制
void *toKeytBinary(char *key)
{
	int temp;  //臨時存放
	int a =1;  //二進制時的餘數
	int m=0;
	int i,j,k;  //用於循環
	int b[8]={0};  //存放每個字符二進制
	printf("\n");
	for(i =0;i<8;i++)
	{
		temp = key[i];
		for(j=0;j<8;j++)
		{
			a=(int)temp%2;
			temp=temp/2;
			b[j]=a;
		}
		for(j=7;j>=0;j--)
		{
			keyBinary64[m++]=b[j];
		}
	}
	printf("該數二進制爲:");
	for(j=0;j<64;j++)
	{
		if(j%8==0)
			printf("\n");
		printf("%d",keyBinary64[j]);
	}
	printf("\n");
}

//置換函數PC-1
void displace()
{
	int i,j=0,m=0;
	//置換
	for(i=0;i<56;i++)
	{
		temporary[i]=keyBinary64[DES_PC_1[i]-1];
	}
	printf("PC-1置換後的key:");
	for(i=0;i<56;i++)
	{
		if(i%7==0)
			printf("\n");
		printf("%d",temporary[i]);
	}
	printf("\n");
}


//第n次移位運算  得到的結果是壓縮置換的輸入即兩部分經過移位後合在一起
void leftShift(int n)
{
	int i;
	//保存前兩個數據  這裏是分成裏前後兩個部分
	int temporary0=temporary[0];
	int temporary1=temporary[1];
	int temporary28=temporary[28];
	int temporary29=temporary[29];
	for(i=0;i<28;i++)
	{
		temporary[i]=temporary[i+shift[n-1]];
		if(i>=26)
			continue;
		temporary[i+28]=temporary[i+shift[n-1]+28];
	}
	if(shift[n-1]==1)
	{
		temporary[27]=temporary0;
		temporary[55]=temporary28;
	}
	else if(shift[n-1]==2)
	{
		temporary[26]=temporary0;
		temporary[27]=temporary1;
		temporary[54]=temporary28;
		temporary[55]=temporary29;
	}

	printf("\n第%d輪移位後的：",n);
	for(i=0;i<56;i++)
	{
		if(i%7==0)
			printf("\n");
		printf("%d",temporary[i]);
	}
}


//壓縮 得到的結果就是密鑰Ki
void condenseBinary(int n)
{
	int i;
	for(i=0;i<48;i++)
	{
		subKeyBinary[n-1][i]=temporary[condense[i]-1];
	}
	printf("\n第%d輪子密鑰：\n",n);
	for(i=0;i<48;i++)
	{
		if(i%6==0&&i!=0)
			printf("\n");
		printf("%d",subKeyBinary[n-1][i]);
	}
}

//將IP置換後的數據分成兩部分Li，Ri  左右分
void divideAfterIP()
{
	int i,j,m1=0,m2=0,n=0;
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		for(j=0;j<8;j++)
		{
			if(j<4)
				lefeLi[m1++]=plaintextBinary[n++];
			else
				rightRi[m2++]=plaintextBinary[n++];
		}
	}
	printf("\n左右兩部分：");
	printf("\n左邊：\n");
	for(i=0;i<32;i++)
	{

		if(i%4==0&&i!=0)
			printf("\n");
		printf("%d",lefeLi[i]);
	}
	printf("\n右邊：\n");
	for(i=0;i<32;i++)
	{

		if(i%4==0&&i!=0)
			printf("\n");
		printf("%d",rightRi[i]);
	}
}

//擴展置換
void toExpand()
{
	int i;
	for(i=0;i<48;i++)
	{
		expand[i]=rightRi[expands[i]-1];
	}
	printf("\n擴展置換後：\n");
	for(i=0;i<48;i++)
	{
		if(i%6==0&&i!=0)
			printf("\n");
		printf("%d",expand[i]);
	}

}

//擴展後與密鑰異或
void toAfterExpandXor(int n)
{
	int i;
	for(i=0;i<48;i++)
	{
		if(expand[i]==subKeyBinary[n-1][i])
			xor[i]=0;
		else
			xor[i]=1;
	}
	printf("\n第%d輪key：\n",n);
	for(i=0;i<48;i++)
	{
		if(i%6==0&&i!=0)
			printf("\n");
		printf("%d",subKeyBinary[n-1][i]);
	}
	printf("\n第%d輪異或：\n",n);
	for(i=0;i<48;i++)
	{
		if(i%6==0&&i!=0)
			printf("\n");
		printf("%d",xor[i]);
	}
}

//S盒置換
void  SSSS()
{
	int i,j;
	int row,col;
	int t,a;  //臨時放S盒中的十進制數
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		row=2*xor[6*i]+xor[6*i+5];
		col=8*xor[6*i+1]+4*xor[6*i+2]+2*xor[6*i+3]+xor[6*i+4];
		switch(i)
		{
		case 0:t=S1[row][col];break;
		case 1:t=S2[row][col];break;
		case 2:t=S3[row][col];break;
		case 3:t=S4[row][col];break;
		case 4:t=S5[row][col];break;
		case 5:t=S6[row][col];break;
		case 6:t=S7[row][col];break;
		case 7:t=S8[row][col];break;
		}
		for(j=3;j>=0;j--)
		{
			a=(int)t%2;
			t=t/2;
			temp[i*4+j ]=a;
		}
	}
	printf("\ns盒運算後：\n");
	for(i=0;i<32;i++)
	{
		if(i%4==0&&i!=0)
			printf("\n");
		printf("%d",temp[i]);
	}
}

//P盒置換
void PP()
{
	int i;
	for(i=0;i<32;i++)
	{
		temp1[i]=temp[PPP[i]-1];
	}
	printf("\nP置換後：\n");
	for(i=0;i<32;i++)
	{
		if(i%4==0&&i!=0)
			printf("\n");
		printf("%d",temp1[i]);
	}

}

//P盒置換後與Li異或  得到第n輪加密數據
void toAfterPPXor(int n)
{
	int i,j,x=0,y1=0,y2=0;
	//先把右邊的保存下來
	for(i=0;i<32;i++)
	{
		temp[i]=rightRi[i];
	}
	//P置換的temp與左邊異或 直接等於右邊作爲下一個輸出
	for(i=0;i<32;i++)
	{
		if(rightRi[i]==temp1[i])
			rightRi[i]=0;
		else
			rightRi[i]=1;
	}
	//將保存好的右邊數據不做任何處理給左邊
	for(i=0;i<32;i++)
	{
		lefeLi[i]=temp[i];
	}
	//合在一起
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		for(j=0;j<8;j++)
		{
			if(j<4)
				outputBinary[x++]=lefeLi[y1++];
			else
				outputBinary[x++]=rightRi[y2++];
		}
	}
	printf("\n第%d輪的加密數據：\n",n);
	for(i=0;i<64;i++)
	{
		if(i%8==0&&i!=0)
			printf("\n");
		printf("%d",outputBinary[i]);
	}

}

//IP逆置換
void IP_1()
{
	int i;
	printf("\nIP逆置換後的密文：\n");
	for(i=0;i<64;i++)
	{
		 ciphertextBinary[i]=outputBinary[DES_NIP[i]-1];
	}
	for(i=0;i<64;i++)
	{
		if(i%8==0&&i!=0)
			printf("\n");
		printf("%d",ciphertextBinary[i]);

	}
}

//密文十六進制形式
void hexCiphertext()
{
	int i,j,m=0,n;//m計數  n儲存十進制形式
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		n=8*ciphertextBinary[0+i*4]+4*ciphertextBinary[1+i*4]+2*ciphertextBinary[2+i*4]+ciphertextBinary[3+i*4];
		if(n<10)
		{
			HexadecimalCiphertext[i]=(char)('0'+n);
		}
		else
		{
			switch(n)
			{
				case 10:HexadecimalCiphertext[i]='A';break;
				case 11:HexadecimalCiphertext[i]='B';break;
				case 12:HexadecimalCiphertext[i]='C';break;
				case 13:HexadecimalCiphertext[i]='D';break;
				case 14:HexadecimalCiphertext[i]='E';break;
				case 15:HexadecimalCiphertext[i]='F';break;
			}
		}
	}
	printf("\n十六進制密文：\n");
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		printf("%c",HexadecimalCiphertext[i]);
	}
	
}



int main()
{
	int m;  //爲方便  只能輸入英文且爲8個以內 
	int i;  //用作循環
	char *p;
	char *key;

	//用戶輸入的密鑰
	//可以是64個0 1數字，越隨機越安全   爲方便直接設置與明文一樣的八個字節的英文字母 
	//超出只取前8個
	printf("輸入密鑰（8個字母或者數字）：");
	key=(char*)malloc(10*(sizeof(char)));
	memset(key,0,10);
	gets(key);
	printf("密鑰：%s",key);
	toKeytBinary(key);
	displace();
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		leftShift(i+1);
		condenseBinary(i+1);
	}



	//用戶輸入的要加密的明文
	printf("\n你要加密的英文字母或者數字個數（8個以內）：");
	scanf("%d",&m);//scanf只是遇到回車符的時候結束，並沒有把回車符輸入，因此輸入流中還有一個回車符
	getchar();//把輸入流中的回車符讀走
	p = (char*)malloc(8*(sizeof(char)));//動態申請內存
	memset(p,0,8);//初始化，每個元素都爲零
	for (i=0;i<m; i++)//數組賦值
	{
		scanf("%c",&p[i]);
	}
	for (i=0;i<8;i++)//數組賦值
	{
		printf("%c",p[i]);
	}
	toPlainTextBinary(Padding(p,m));
	IP();
	divideAfterIP();
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		toExpand();
		toAfterExpandXor(i+1);
		SSSS();
		PP();
		toAfterPPXor(i+1);
	}
	IP_1();
	free(p);
	hexCiphertext();
	free(key);
	printf("\n");
	return 0;
}