0x01 DES概述
DES(Data Encryption Standard)，數據加密標準，曾被美國國家標準局確定爲聯邦信息處理標準，得到過廣泛的使用。
DES起源於1973年美國國家標準局徵求國家密碼標準方案，IBM提交的算法基於Lucifer的密碼，Lucifer是一種feistel密碼，使用128位的密鑰對64位的分組進行加密，然後受NSA的影響，對Lucifer進行了一些修改，形成了之後的DES密碼。
0x02 加密原理
DES密碼使用了Feistel網絡，其加密過程和解密過程幾乎完全相同，解密只需要一個逆向密鑰編排。
DES的加密過程如下：
首先將64位的明文進行初始置換IP，獲得第一階段的密文下。之後將分爲左右長度相等的兩部分和；然後將左右的兩部分輸入到Feistel網絡中，進行16輪的加密。每一輪中右半部分的將被送入函數之中，函數的輸出再與左半部分的進行(異或)操作，左後，將左右兩部分進行交換，得到新一輪的明文。數學公式可以表示如下：
其中，。值得注意的是DES的最後一輪加密不會交換和。
在加密完成之後，DES還會進行一次逆初始置換IP，得到最後的密文。
0x03 步驟詳解：
0x0301 IP置換
IP置換是按位置置，就是根據IP表的內容將明文的中的位置換掉，IP表可以排列爲一行，而其中的數字就代表者明文的第幾位，即將明文中相應的位放置到IP表內形成下一步的輸入。
初始置換IP和逆初始置換IP都是IP置換，函數內部的擴充和置換以及輪密鑰之中的置換都可以看作是IP置換。
0x0302 函數
函數在DES之中扮演着重要作用，函數首先將輸入的明文進行IP置換(擴展IP置換)，將32位的明文擴展爲48位的明文，明文與輪密鑰進行異或操作，再將輸出分爲8個6位的分組，將每個分組放入S-盒內部進行替換，再將新的輸出進行一輪置換得到密文。流程如下圖(不想畫圖了)：
其中，S-盒是一個查找表，將6位輸入映射爲4位的輸出，其映射規律如下：
將6位輸入的第一位和最後一位提取出來，組成一個二進制數，代表S-盒之中的行，而中間四位則組成S-盒的列，查找到該數字之後再替換出來。
0x0303 輪密鑰
在DES之中，每一輪的密鑰都是不同的，是由輸入的密鑰通過置換產生的子密鑰，其產生規則如下：
DES輸入的密鑰有65位，但實際用到的就只有56位，將64位的密鑰k輸入之後，通過PC-1的IP置換，得到56位的新密鑰，再將56位新密鑰分爲和兩部分，每輪變換之中，兩部分分別循環左移，得到，再將進行PC-2的IP置換，得到48位的子密鑰。
其左移規律如下：
| 輪數 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 左移位數 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 |
0x04 解密：
DES的優勢之一就是其解密過程與加密過程在本質上是相同的，解密只需要將密鑰進行逆向編排就行。
參考書目：深入淺出密碼學—Christof Paar，Jan Pelzl(馬小婷譯)
0x05 算法實現：
c語言版本實現的DES算法，其輸入的明文和密鑰都是十六進制，輸出也是十六進制，除了輸入與輸出，其餘不變。
#include<stdio.h>
#include<math.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
int mint[64];
int key[56];
int move_time[16] = {1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1};
//初始置換
int IP_first[64]=
{
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
};
//逆初始置換
int IP_last[64]=
{
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
};
//密鑰置換選擇1
int PC_1[56]=
{
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,
63,55,47,39,31,33,15,
7,62,54,46,38,30,22,
14,6,61,53,45,37,29,
21,13,5,28,20,12,4
};
//密鑰置換選擇2
int PC_2[48]=
{
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,//兩個30？
44,49,39,56,34,53,
46,42,50,36,29,32
};
//擴展置換E
int E[48]=
{
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
};
//擴展置換P
int P[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
};
int S_Box[8][65]=
{
{
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
},
{
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,
13,8,10,1,3,15,4,2,11,6,7,12,10,5,14,9
},
{
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
},
{
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
},
{
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
},
{
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
},
{
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
},
{
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
}
};
//將輸入字符轉爲數字
int hex(char c){
/*
c ：單個字符
*/
if(c>='0'&&c<='9') return c-'0';
else return c-'A'+10;
}
//將數字轉爲字符
char hex_re(int *C){
/*
C ：四位二進制數
*/
int t = 0;
for(int i=0; i<4; i++){
t += pow(2, 3-i)*C[i];
}
if(t>=0 && t<=9) return t+'0';
else return t-10+'A';
}
//讀取明文字符串
void getstr(int *m){
/*
m ：64位明文
*/
char mstr[18];
// char mstr[] = "123456ABCD132536";
printf("請輸入明文(16進制)：");
scanf("%s", mstr);
for(int i=0, j=0; i<64; i+=4, j++){
int t = hex(mstr[j]);
for(int k=0; k<4; k++){
int temp = t%2;
if(temp == 0) m[i+3-k] = 0;
else m[i+3-k] = 1;
t /= 2;
}
}
}
//讀取密鑰字符串
void getkey(int *key_pre){
/*
key_pre ：64位密鑰
*/
char keystr[18];
// char keystr[] = "AABB09182736CCDD";
printf("請輸入密鑰(16進制)：");
scanf("%s", keystr);
for(int i=0, j=0; i<64; i+=4, j++){
int t = hex(keystr[j]);
for(int k=0; k<4; k++){
int temp = t%2;
if(temp == 0) key_pre[i+3-k] = 0;
else key_pre[i+3-k] = 1;
t /= 2;
}
}
}
//IP置換
void exchangeIP(int *d, int *s, int *IP, int n){
/*
d ：置換後的二進制串
s ：置換前的二進制串
IP ：置換所用的IP表
n ：d的長度
*/
for(int i=0; i<n; i++){
d[i] = s[IP[i]-1];
}
}
//循環左移
void shiftL(int *dest, int step){
/*
dest ：二進制串
step ：左移位數
*/
int temp[8];
for(int i=0; i<step; i++) temp[i] = dest[i];
for(int i=step; i<28; i++){
dest[i-step] = dest[i];
}
for(int i=0; i<step; i++){
dest[28-step+i] = temp[i];
}
}
//獲取輪密鑰
int * getroundkey(int *dest, int * k, int n){
/*
dest ：生成的48位輪密鑰
k ：原56位密鑰
n ：第幾輪
return ：生成的輪密鑰
*/
shiftL(k, move_time[n]);
shiftL(k+28, move_time[n]);
exchangeIP(dest, k, PC_2, 48);
char C[18];
return dest;
}
//S盒替代
void replaceS(int *dest, int *source, int n){
/*
dest ：s盒替代之後的二進制串
source ：s盒替代之前的二進制串
n ：使用第n個s盒
*/
int y = source[0]*2+source[5];
int x = source[1]*8+source[2]*4+source[3]*2+source[4];
int temp = S_Box[n][y*16+x];
for(int i=3; i>=0; i--){
dest[i] = temp%2;
temp /= 2;
}
}
//加密
void encode(int *m, int *k){
/*
m ：明文二進制串
k ：密鑰二進制串
*/
int temp[48];
int ec[32];
exchangeIP(temp, m+32, E, 48);
for(int i=0; i<48; i++){
temp[i] = temp[i]^k[i];
}
for(int i=0; i<48; i+=6){
replaceS(ec+i/6*4, temp+i, i/6);
}
exchangeIP(temp, ec, P, 32);
for(int i=0; i<32; i++){
m[i] = temp[i]^m[i];
}
}
int main(){
int m[64];//二進制明文
int key_pre[64];//二進制密鑰
char C[18];//密文字符串
getstr(m);//獲取明文字符串並轉爲二進制
getkey(key_pre);//獲取密鑰字符串並轉爲二進制
exchangeIP(mint, m, IP_first, 64);//對明文進行初始IP置換
exchangeIP(key, key_pre, PC_1, 56);//對密鑰進行IP置換
int dest[48];//輪密鑰
for(int i=0; i<16; i++){
encode(mint, getroundkey(dest, key, i));//加密16輪
if(i == 15) continue;
//進行左右交換26輪
for(int j=0; j<32; j++){
int temp = mint[j];
mint[j] = mint[j+32];
mint[j+32] = temp;
}
}
exchangeIP(m, mint, IP_last, 64);//逆初始IP置換
//轉化密文二進制爲字符串
for(int i=0; i<64; i+=4){
C[i/4] = hex_re(m+i);
}
C[16] = 0;
printf("密文(16進制)：");
printf("%s", C);
}
自己創建的網絡安全公衆號，歡迎各位朋友們關注！
