密码学DES(数据加密标准)c++实现
数据加密标准(DES)是分组密码的典型代表，是上世纪***十年代很常用的加密算法。
最近手痒，自己把DES用C++简单的实现了一下。写的比较繁琐，不想再碰了，所以扔这里存着吧。
DES的整体结构采用16圈Feistel模型。大致过程如下：
1.将待加密的明文分组，每组64比特
2.对于每一组明文，首先进行初始置换（在代码中置换表为IP）
3.置换后将明文分为左半部分和右半部分各32比特（代码中分别用L和R存储），接着进行16圈迭代
3.1 每一圈迭代中，右半部分在48比特圈（子）密钥k的作用下进行f变换，得到的32比特数据
与左半部分按位异或，产生的32比特数据作为下一圈迭代的右半部分
3.2 原右半部分直接作为下一圈迭代的左半部分
3.3 需要注意的是：第16圈不进行左右对换
4.最后左右部分合并再进行一次置换（代码中置换表为RIP），即可得到该明文分组对应的密文
5.重复步骤2~4，直至所有分组加密完毕
其中密钥生成算法参考另一篇：DES子密钥生成算法
下面代码中，输入16位16进制的密钥及任意长度的明文（仅限数字和英文大小写），输出密文对应的16进制
注释应该够详细了，应该不会忘记了(*´∀`)skr~
#include<bits/stdc++.h>
bool C[29] ,D[29];//子密钥生成所需的左右两部分
int table1[56]={57,49,41,33,25,17,9,1 //子密钥生成所需的置换选择表1，用于从64位初始密钥中选择56位
,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};
int table2[48]={14,17,11,24,1,5,//子密钥生成所需的置换选择表2，将得到的56位进行置换选择2，得到真正的圈密钥
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};
int dis[16] = {1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1};//C寄存器和D寄存器循环左移的位数(子密钥生成)
int IP[]={58,50,42,34,26,18,10,2,//初始置换表
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};
int RIP[]={40,8,48,16,56,24,64,32,//逆初始置换表
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};
int E[]={32,1,2,3,4,5,//f函数所用的扩展表E
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};
int S[][16]={{14,4,13,1,2,15,11,8,3,10,6,12,5,9,0,7},//f函数的s盒
{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},
{13,8,10,1,3,15,4,2,11,6,7,12,0,5,14,9},
{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}};
int P[] = {16,7,20,21,//f函数最后的置换表
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};
bool subkey[16][48];//外部变量，为了让工程内所有的文件共享这个变量
bool L[32] ,R[32] ,code[9999];//16轮迭代的L和R，code用于存放密文
char K[100] ,M[9999] ;//K存放密文，M存放输入的明文
int len(0);//用于存储密文的长度，最终值为密钥的长度
//16进制转二进制，输入s16，len是s16的长度，结果存放于s2
void _16to_2(const char *s16 ,int len , bool *s2)
{
for(int i(0); i < len; i++)
{
//得到s16[i]对应的10进制数
int t;
if(s16[i] < 65)
t = s16[i] - '0';
else if(s16[i] < 97)
t = s16[i] - 55;
else t = s16[i] - 87;
//将t转化为四位的二进制数
int j = i*4+3;
for(int k = 0 ; k < 4 ;k++)
{
s2[j--] = t&1;
t >>= 1;
}
}
}
//2进制转成16进制输出，输入待转换数组s及s的长度
void _2to_16(const bool *s,int len)
{
char ct[]="0123456789ABCDEF";
int val[]={8,4,2,1} ,sum = 0 ,k;
printf(" 0x(");
for(int i = 0 ; i < len; i++)
{
k = i%4;
if(!k && i)
{
printf("%c" ,ct[sum]);
sum = 0;
}
if(s[i])
sum += val[k];
}
printf("%c)\n" ,ct[sum]);
}
void displace(int n , bool *c)//子密钥生成所需的移位操作，n表示第n次移位
{
int p = dis[n];
bool t[p];
for(int i = 0 ; i < p ; i++)
t[i] = c[i];
for(int i = p ; i < 28 ; i++)
c[i-p] = c[i];
for(int i = 28-p ; i < 28 ; i++)
c[i] = t[i-(28-p)];
}
void subkeyGenerate()//生成16圈子密钥
{
bool k[70];
_16to_2(K ,16 ,k);//密钥转换为2进制
{//置换选择1
for(int i(0) ; i < 28 ; i ++)
C[i] = k[table1[i] - 1] ;
for(int i(28) , j(0) ; i < 56 ; i++ , j++)
D[j] = k[table1[i] - 1] ;
}
{//16圈迭代
for(int i(0) ; i < 16 ; i++)
{
displace(i , C); //第i圈迭代，进行移位操作
displace(i , D);
{//置换选择2
int temp(i) ,n(i+1);
printf("K%2d: " , n);
for(int i = 0 ; i < 48 ; i++)
{
int t = table2[i] - 1 ;
subkey[temp][i] = t > 27 ? D[t-28] : C[t];
printf("%d" ,subkey[temp][i]);
}
_2to_16(subkey[temp] ,48);//输出密钥对应的16进制形式
}
}
}
}
//用于置换，flag=1则为初始置换，否则为逆初始置换,sub为数组下标，即从sub开始的64bits
void substitution(bool *s ,int sub ,int flag)
{
int table[64] ,t[64];
if(flag == 1)
for(int i = 0 ; i < 64 ;i++)
table[i] = IP[i];
else
for(int i = 0 ; i < 64; i++)
table[i] = RIP[i];
for(int i = 0 ; i < 64; i++)
t[i] = s[sub+i];//先将s数组的元素暂存在t中
for(int i = 0 ; i < 64 ; i++)
s[sub+i] = t[table[i]-1];
}
//每一轮迭代所需的f函数，输入上一轮的R,以及该轮的密钥，输出存于out
void f(const bool *R ,bool key[] ,bool *out)
{
bool t[48] ,t1[32];//两个均用来暂存
//将32比特扩展为48bit
for(int i = 0 ; i < 48; i++)
t[i] = R[E[i]-1];
//与子密钥异或
for(int i = 0; i < 48; i++)
t[i] = t[i]^key[i];
//S盒变换
int c ,r ,temp1 ,temp2 ,temp3 ,k(0);//c ,r分别表示列和行
for(int i = 0 ; i < 8; i++)
{
temp1 = i*6;
temp2 = i*4;
r = 2*t[temp1] + t[temp1+5];
c = 8*t[temp1+1] + 4*t[temp1+2] + 2*t[temp1+3] + t[temp1+4];
temp3 = S[temp2+r][c];//得到s盒中的对应的数值（10进制）
//十进制转化为二进制
k = i*4 + 3;
for(int j = 0 ;j < 4; j++)
{
t1[k--] = temp3%2;
temp3 >>= 1;
}
}
//用P盒进行移位
for(int i = 0 ; i < 32; i++)
out[i] = t1[P[i]-1];
}
void print(const bool *L ,const bool *R ,int r)//输出第r圈的L和R
{
printf("L%2d: ",r);
for(int i = 0 ; i < 32; i++)
printf("%d" ,L[i]);
_2to_16(L , 32);//输出对应的16进制
printf("R%2d: " ,r);
for(int i = 0 ; i < 32; i++)
printf("%d" ,R[i]);
_2to_16(R , 32);
}
//迭代函数，输入左右两半部分l和r，round表示圈数
void iteration(bool *l ,bool *r ,int round)
{
print(l ,r ,round-1);
bool out[32] ,newR[32];
//计算f函数，输出存于out中
f(r ,subkey[round-1] ,out);
//f函数的输出out与L进行异或得到下一轮的右半部分
for(int i = 0 ; i < 32 ; i++)
newR[i] = out[i]^l[i];
if(round == 16)//第十六轮不进行左右互换
{
print(r ,newR ,round);
//将密文合并，然后返回主函数
for(int i = 0 ; i < 32 ; i++)
code[len++] = newR[i];
for(int i = 0 ; i < 32 ; i++)
code[len++] = r[i];
return ;
}
iteration(r , newR, round+1);//进行下一轮迭代
}
//DES的主要函数，如初始置换，16圈迭代，逆初始置换
void solve(const char *m)
{
bool m_64[65];
_16to_2(m ,16 ,m_64);//将16位的明文转换成64位二进制，结果存于m_64中
substitution(m_64 ,0 ,1);//初始置换，置换后的结果仍存在于m_64中
{//将64位明文分为左右各32位，结果存于L,R
for(int i = 0 ; i < 32; i++)
L[i] = m_64[i];
for(int j = 32; j < 64; j++)
R[j-32] = m_64[j];
}
iteration(L ,R ,1);//从第一轮开始迭代，进行16轮
substitution(code ,len-64 ,-1);//逆初始置换，得到最后的密文，存于code中
}
int main()
{
printf("请输入16位16进制密钥：");
scanf("%s" ,K);
printf("请输入16进制表示明文：");
scanf("%s" ,M);
subkeyGenerate();//生成子密钥
int j(0) ,k(1);
char m[65];
for(int i = 0 ; M[i]; i++,j++)
{
if(j == 16)
{
printf("分组中的第%d组的L和R：\n" ,k++);
j = 0;
solve(m);//调用DES的主要部分
}
m[j] = M[i];
}
printf("分组中的第%d组的L和R：\n" ,k++);
if(j != 16)//若明文分组不足16位16进制，即64bit，则补零凑齐64bit
for( ;j < 16 ;j++)
m[j] = '0';
solve(m);
printf("C =");
_2to_16(code ,len);//将密文转为16进制输出
return 0;
}
/*K , M
0123456789ABCDEF
0000000000000000
FEDCBA9876543210
0123456789ABCDEF
*/
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