DES 对称加密算法详情和 c++ 代码实现(含示例和详细的中间数据)
特点:
1.DES是对称性加密算法,即加密和解密是对称的,用的是同一个密钥
2.DES只处理二进制数据,所以需要将明文转换成为2进制数据
3.DES每次处理64位的数据,所以应该将明文切割成64位的分组,当最后一组数据不足64位的时候,高位补0
4.DES使用64位的密钥,但因为密钥中的每8位会被忽略,所以有效的密钥长度是56位,从而产生16个48位的子密钥(变换过程后面会说明)
5.每64位数据一个块,是DES的永恒组织方式
具体样例分析:
(仅以一组64位数据为例分析加密过程)
明文M是:8787878787878787
密钥K是:0E329232EA6D0D73
上面的信息都是16进制的,转换为2进制
明文M是:0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
密钥K是:00010011 00110100 01010111 01111001 10011011 10111100 11011111 11110001
第一步:根据密钥生成16个子密钥
1.根据密钥初始置换表将64位的密钥转化为58位的密钥
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
由于上表中第一个元素为57,这将使原秘钥的第57位变换为新秘钥K+的第1位。同理,原秘钥的第49位变换为新秘钥的第2位……原秘钥的第4位变换为新秘钥的最后一位。注意原秘钥中只有56位会进入新秘钥,上表也只有56个元素。
原密钥K:00010011 00110100 01010111 01111001 10011011 10111100 11011111 11110001
新密钥K:1111000 0110011 0010101 0101111 0101010 1011001 1001111 0001111
2.将新密钥拆分成C0和D0,每组都有28位
比如新密钥
C0:1111000 0110011 0010101 0101111
D0:0101010 1011001 1001111 0001111
3.根据密钥轮次左移表,左移特定的位数
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
1 1 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 1
比如第一轮是左移1位,第二轮也是左移1位,第三轮是左移两位
所以
C1:1110000110011001010101011111
D1:1010101011001100111100011110
下面给出C1,D1到C16,D16的数据:
C1 = 1110000110011001010101011111
D1 = 1010101011001100111100011110
C2 = 1100001100110010101010111111
D2 = 0101010110011001111000111101
C3 = 0000110011001010101011111111
D3 = 0101011001100111100011110101
C4 = 0011001100101010101111111100
D4 = 0101100110011110001111010101
C5 = 1100110010101010111111110000
D5 = 0110011001111000111101010101
C6 = 0011001010101011111111000011
D6 = 1001100111100011110101010101
C7 = 1100101010101111111100001100
D7 = 0110011110001111010101010110
C8 = 0010101010111111110000110011
D8 = 1001111000111101010101011001
C9 = 0101010101111111100001100110
D9 = 0011110001111010101010110011
C10 = 0101010111111110000110011001
D10 = 1111000111101010101011001100
C11 = 0101011111111000011001100101
D11 = 1100011110101010101100110011
C12 = 0101111111100001100110010101
D12 = 0001111010101010110011001111
C13 = 0111111110000110011001010101
D13 = 0111101010101011001100111100
C14 = 1111111000011001100101010101
D14 = 1110101010101100110011110001
C15 = 1111100001100110010101010111
D15 = 1010101010110011001111000111
C16 = 1111000011001100101010101111
D16 = 0101010101100110011110001111
需要记住的是:每一对Cn 和 Dn都是由前一对Cn-1 和 Dn-1移位而来!
4.得到Cn,Dn后合并CnDn,然后根据密钥压缩置换表将56位密钥压缩成48位的子密钥
密钥压缩置换表:
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
每对子秘钥有56位,但PC-2仅仅使用其中的48位。
于是,第n轮的新秘钥Kn 的第1位来自组合子秘钥CnDn的第14位,第2位来自第17位,依次类推,知道新秘钥的第48位来自组合秘钥的第32位。
下面给出子密钥K1到K16的数据:
K1 = 000110 110000 001011 101111 111111 000111 000001 110010
K2 = 011110 011010 111011 011001 110110 111100 100111 100101
K3 = 010101 011111 110010 001010 010000 101100 111110 011001
K4 = 011100 101010 110111 010110 110110 110011 010100 011101
K5 = 011111 001110 110000 000111 111010 110101 001110 101000
K6 = 011000 111010 010100 111110 010100 000111 101100 101111
K7 = 111011 001000 010010 110111 111101 100001 100010 111100
K8 = 111101 111000 101000 111010 110000 010011 101111 111011
K9 = 111000 001101 101111 101011 111011 011110 011110 000001
K10 = 101100 011111 001101 000111 101110 100100 011001 001111
K11 = 001000 010101 111111 010011 110111 101101 001110 000110
K12 = 011101 010111 000111 110101 100101 000110 011111 101001
K13 = 100101 111100 010111 010001 111110 101011 101001 000001
K14 = 010111 110100 001110 110111 111100 101110 011100 111010
K15 = 101111 111001 000110 001101 001111 010011 111100 001010
K16 = 110010 110011 110110 001011 000011 100001 011111 110101
到这里,16个48位的子密钥就生成了
第二步:加密数据块
1.明文初始变换,仍然是64位变为64位
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
参照上表,M的第58位成为IP的第1位,M的第50位成为IP的第2位,M的第7位成为IP的最后一位。
对明文M:0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
IP:1100 1100 0000 0000 1100 1100 1111 1111 1111 0000 1010 1010 1111 0000 1010 1010
这里M的第58位是1,变成了IP的第1位。M的第50位是1,变成了IP的第2位。M的第7位是0,变成了IP的最后一位。
2.数据分组:IP分为左半边的L0和右半边的R0
对上面的IP
L0:1100 1100 0000 0000 1100 1100 1111 1111
R0:1111 0000 1010 1010 1111 0000 1010 1010
3.16轮迭代
然后我们定义一个函数f,输入一个32位的数据和一个48位的子密钥,产生一个32位的输出
从n=1到n=16
Ln=Rn-1
Rn=Ln-1^f(Rn-1,Kn)
通俗的说就是当前迭代的L是上一次迭代的L,当前迭代的R是上一次迭代的L异或f(上次迭代的R,当前子密钥)
下面就是要了解f函数是怎么工作的了
f函数第一步:32位的数据扩展成为48位
明文扩展表:
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
对R0:1111 0000 1010 1010 1111 0000 1010 1010
扩展一下:E(R0) = 011110 100001 010101 010101 011110 100001 010101 010101
f函数第二步:将扩展的结果和48位的子密钥进行异或运算
比如,对K1 , E(R0),我们有:
K1 = 000110 110000 001011 101111 111111 000111 000001 110010
E(R0) = 011110 100001 010101 010101 011110 100001 010101 010101
K1^E(R0) = 011000 010001 011110 111010 100001 100110 010100 100111.
f函数第三步:S盒替代,48位变成32位
一共有8个S盒,分别位S1到S8,所以48位的数据可以分为8组,每组6个数据,用a1a2a3a4a5a6表示
每组数据对应一个S盒
a1和a6组合成2进制,然后转换为10进制,代表对应S盒的行号
a2,a3,a4,a5组合成2进制,然后转换为10进制,代表对应S盒的列号
从行号和列号可以从对应的S盒中确定一个数X,X是十进制的,转化为4位的二进制输出
所以每个S盒都是输入6位,输出4位,所以最后输出的数据是4*8=32位
S1
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
S2
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
S3
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
S4
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
S5
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
S6
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
S7
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
S8
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
例子:对于第一轮,我们得到这8个S盒的输出:
K1 + E(R0) = 011000 010001 011110 111010 100001 100110 010100 100111.
S1(B1)S2(B2)S3(B3)S4(B4)S5(B5)S6(B6)S7(B7)S8(B8)= 0101 1100 1000 0010 1011 0101 1001 0111
f函数第四步:进行P盒置换,32位输入,32位输出
P盒置换表:
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
比如,对于8个S盒的输出:
S1(B1)S2(B2)S3(B3)S4(B4)S5(B5)S6(B6)S7(B7)S8(B8)= 0101 1100 1000 0010 1011 0101 1001 0111
我们得到
f = 0010 0011 0100 1010 1010 1001 1011 1011
f函数到此结束
那么,得到当前迭代的R
R1 = L0 ^ f(R0 , K1 )
= 1100 1100 0000 0000 1100 1100 1111 1111
+ 0010 0011 0100 1010 1010 1001 1011 1011
= 1110 1111 0100 1010 0110 0101 0100 0100
在下一轮迭代中,我们的L2 = R1,这就是我们刚刚计算的结果。之后我们必须计算R2 =L1 + f(R1, K2),一直完成16个迭代。在第16个迭代之后,我们有了区块L16 and R16。
下面给出L1,R1到L16,R16的数据:
L[1]:11110000101010101111000010101010
R[1]:11101111010010100110010101000100
L[2]:11101111010010100110010101000100
R[2]:11001100000000010111011100001001
L[3]:11001100000000010111011100001001
R[3]:10100010010111000000101111110100
L[4]:10100010010111000000101111110100
R[4]:01110111001000100000000001000101
L[5]:01110111001000100000000001000101
R[5]:10001010010011111010011000110111
L[6]:10001010010011111010011000110111
R[6]:11101001011001111100110101101001
L[7]:11101001011001111100110101101001
R[7]:00000110010010101011101000010000
L[8]:00000110010010101011101000010000
R[8]:11010101011010010100101110010000
L[9]:11010101011010010100101110010000
R[9]:00100100011111001100011001111010
L[10]:00100100011111001100011001111010
R[10]:10110111110101011101011110110010
L[11]:10110111110101011101011110110010
R[11]:11000101011110000011110001111000
L[12]:11000101011110000011110001111000
R[12]:01110101101111010001100001011000
L[13]:01110101101111010001100001011000
R[13]:00011000110000110001010101011010
L[14]:00011000110000110001010101011010
R[14]:11000010100011001001011000001101
L[15]:11000010100011001001011000001101
R[15]:01000011010000100011001000110100
L[16]:01000011010000100011001000110100
R[16]:00001010010011001101100110010101
4.逆转区位和最终变换
逆转区位:64位输出:R16+L16
然后将R16L16组合的64位数据进行最终置换,64位->64位
最终置换表:
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
比如,如果我们使用了上述方法得到了第16轮的左右两个区块:
- L16 = 0100 0011 0100 0010 0011 0010 0011 0100
- R16 = 0000 1010 0100 1100 1101 1001 1001 0101
我们将这两个区块调换位置,然后执行最终变换:
- R16L16 = 00001010 01001100 11011001 10010101 01000011 01000010 00110010 00110100
- IP-1 = 10000101 11101000 00010011 01010100 00001111 00001010 10110100 00000101
写成16进制得到:
- 85E813540F0AB405
这就是明文M = 0123456789ABCDEF的加密形式C = 85E813540F0AB405。
下面我将给出明文M和密钥K加密出密文C的所有中间数据!!!!
二进制明文:0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111 二进制密文:0001001100110100010101110111100110011011101111001101111111110001 16个子密钥: K1:000110110000001011101111111111000111000001110010 K2:011110011010111011011001110110111100100111100101 K3:010101011111110010001010010000101100111110011001 K4:011100101010110111010110110110110011010100011101 K5:011111001110110000000111111010110101001110101000 K6:011000111010010100111110010100000111101100101111 K7:111011001000010010110111111101100001100010111100 K8:111101111000101000111010110000010011101111111011 K9:111000001101101111101011111011011110011110000001 K10:101100011111001101000111101110100100011001001111 K11:001000010101111111010011110111101101001110000110 K12:011101010111000111110101100101000110011111101001 K13:100101111100010111010001111110101011101001000001 K14:010111110100001110110111111100101110011100111010 K15:101111111001000110001101001111010011111100001010 K16:110010110011110110001011000011100001011111110101 明文初始置换结果(64->64):1100110000000000110011001111111111110000101010101111000010101010 L0:11001100000000001100110011111111 R0:11110000101010101111000010101010 第1次迭代 32位数据扩展为48位结果:011110100001010101010101011110100001010101010101 密钥和扩展数据异或结果:011000010001011110111010100001100110010100100111 S盒替代结果(48->32):01011100100000101011010110010111 P盒替代结果(32->32):00100011010010101010100110111011 L[1]:11110000101010101111000010101010 R[1]:11101111010010100110010101000100 第2次迭代 32位数据扩展为48位结果:011101011110101001010100001100001010101000001001 密钥和扩展数据异或结果:000011000100010010001101111010110110001111101100 S盒替代结果(48->32):11111000110100000011101010101110 P盒替代结果(32->32):00111100101010111000011110100011 L[2]:11101111010010100110010101000100 R[2]:11001100000000010111011100001001 第3次迭代 32位数据扩展为48位结果:111001011000000000000010101110101110100001010011 密钥和扩展数据异或结果:101100000111110010001000111110000010011111001010 S盒替代结果(48->32):00100111000100001110000101101111 P盒替代结果(32->32):01001101000101100110111010110000 L[3]:11001100000000010111011100001001 R[3]:10100010010111000000101111110100 第4次迭代 32位数据扩展为48位结果:010100000100001011111000000001010111111110101001 密钥和扩展数据异或结果:001000101110111100101110110111100100101010110100 S盒替代结果(48->32):00100001111011011001111100111010 P盒替代结果(32->32):10111011001000110111011101001100 L[4]:10100010010111000000101111110100 R[4]:01110111001000100000000001000101 第5次迭代 32位数据扩展为48位结果:101110101110100100000100000000000000001000001010 密钥和扩展数据异或结果:110001100000010100000011111010110101000110100010 S盒替代结果(48->32):01010000110010000011000111101011 P盒替代结果(32->32):00101000000100111010110111000011 L[5]:01110111001000100000000001000101 R[5]:10001010010011111010011000110111 第6次迭代 32位数据扩展为48位结果:110001010100001001011111110100001100000110101111 密钥和扩展数据异或结果:101001101110011101100001100000001011101010000000 S盒替代结果(48->32):01000001111100110100110000111101 P盒替代结果(32->32):10011110010001011100110100101100 L[6]:10001010010011111010011000110111 R[6]:11101001011001111100110101101001 第7次迭代 32位数据扩展为48位结果:111101010010101100001111111001011010101101010011 密钥和扩展数据异或结果:000110011010111110111000000100111011001111101111 S盒替代结果(48->32):00010000011101010100000010101101 P盒替代结果(32->32):10001100000001010001110000100111 L[7]:11101001011001111100110101101001 R[7]:00000110010010101011101000010000 第8次迭代 32位数据扩展为48位结果:000000001100001001010101010111110100000010100000 密钥和扩展数据异或结果:111101110100100001101111100111100111101101011011 S盒替代结果(48->32):01101100000110000111110010101110 P盒替代结果(32->32):00111100000011101000011011111001 L[8]:00000110010010101011101000010000 R[8]:11010101011010010100101110010000 第9次迭代 32位数据扩展为48位结果:011010101010101101010010101001010111110010100001 密钥和扩展数据异或结果:100010100111000010111001010010001001101100100000 S盒替代结果(48->32):00010001000011000101011101110111 P盒替代结果(32->32):00100010001101100111110001101010 L[9]:11010101011010010100101110010000 R[9]:00100100011111001100011001111010 第10次迭代 32位数据扩展为48位结果:000100001000001111111001011000001100001111110100 密钥和扩展数据异或结果:101000010111000010111110110110101000010110111011 S盒替代结果(48->32):11011010000001000101001001110101 P盒替代结果(32->32):01100010101111001001110000100010 L[10]:00100100011111001100011001111010 R[10]:10110111110101011101011110110010 第11次迭代 32位数据扩展为48位结果:010110101111111010101011111010101111110110100101 密钥和扩展数据异或结果:011110111010000101111000001101000010111000100011 S盒替代结果(48->32):01110011000001011101000100000001 P盒替代结果(32->32):11100001000001001111101000000010 L[11]:10110111110101011101011110110010 R[11]:11000101011110000011110001111000 第12次迭代 32位数据扩展为48位结果:011000001010101111110000000111111000001111110001 密钥和扩展数据异或结果:000101011101101000000101100010111110010000011000 S盒替代结果(48->32):01111011100010110010011000110101 P盒替代结果(32->32):11000010011010001100111111101010 L[12]:11000101011110000011110001111000 R[12]:01110101101111010001100001011000 第13次迭代 32位数据扩展为48位结果:001110101011110111111010100011110000001011110000 密钥和扩展数据异或结果:101011010111100000101011011101011011100010110001 S盒替代结果(48->32):10011010110100011000101101001111 P盒替代结果(32->32):11011101101110110010100100100010 L[13]:01110101101111010001100001011000 R[13]:00011000110000110001010101011010 第14次迭代 32位数据扩展为48位结果:000011110001011000000110100010101010101011110100 密钥和扩展数据异或结果:010100000101010110110001011110000100110111001110 S盒替代结果(48->32):01100100011110011001101011110001 P盒替代结果(32->32):10110111001100011000111001010101 L[14]:00011000110000110001010101011010 R[14]:11000010100011001001011000001101 第15次迭代 32位数据扩展为48位结果:111000000101010001011001010010101100000001011011 密钥和扩展数据异或结果:010111111100010111010100011101111111111101010001 S盒替代结果(48->32):10110010111010001000110100111100 P盒替代结果(32->32):01011011100000010010011101101110 L[15]:11000010100011001001011000001101 R[15]:01000011010000100011001000110100 第16次迭代 32位数据扩展为48位结果:001000000110101000000100000110100100000110101000 密钥和扩展数据异或结果:111010110101011110001111000101000101011001011101 S盒替代结果(48->32):10100111100000110010010000101001 P盒替代结果(32->32):11001000110000000100111110011000 L[16]:01000011010000100011001000110100 R[16]:00001010010011001101100110010101 R16L16:0000101001001100110110011001010101000011010000100011001000110100 最终置换结果:1000010111101000000100110101010000001111000010101011010000000101 密文(二进制):1000010111101000000100110101010000001111000010101011010000000101 密文(16进制):85E813540F0AB405
关于解密:解密只要将密文看作明文,然后子密钥逆序使用就可以还原成为明文,因为DES是对称加密算法!
C++代码实现:
/************************************************************************* > File Name: DES.cpp > Author: YB > E-mail: 1348756432@qq.com > Created Time: 2019年03月01日 星期五 ************************************************************************/ #include <bits/stdc++.h> using namespace std; /** *数据初始置换表 */ int T1[8][8]={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}; /** *密钥初始置换表 */ int T2[8][7]={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, 3,55,47,39,31,23,15, 7,62,54,46,38,30,22, 14,6,61,53,45,37,29, 21,13,5,28,20,12,4}; /** *密钥循环左移位数表 */ int T3[16]={1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1}; /** *密钥压缩置换表 */ int T4[8][6]={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}; /** *数据扩展表 */ int T5[8][6]={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盒置换表 */ int S[8][4][16]={{{14,4,13,1,2,15,11,上一篇: 我在地球上的日子,全集(完整版)