# DES加密算法实现

**Repository Path**: Chenwzh/DES

## Basic Information

- **Project Name**: DES加密算法实现
- **Description**: DES加密算法实现(C++)
- **Primary Language**: C++
- **License**: Not specified
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 10
- **Forks**: 2
- **Created**: 2018-11-01
- **Last Updated**: 2023-11-06

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: None

## README

## 一、算法简介

DES全称为Data Encryption Standard，即数据加密标准，是一种使用密钥加密的块算法，1977年被美国国家标准局（NBS）确定为联邦信息处理标准（FIPS），并授权在非密级政府通信中使用，随后该算法在国际上广泛流传开来。

DES是基于56位密钥的对称算法，由于它使用的56位密钥过短，目前已经不被视为一种安全的加密算法。当然你也可以使用DES的派生算法3DES来进行加密，提高破解的难度。

2001年，DES被高级加密标准（AES）所取代。另外，DES已经不作为NIST的标准。

## 二、算法原理概述

### 1. 算法基本概念

明文以字节为基本单位，将明文分成每8字节一组，即64位，如果明文最后的分组不够64位，按照<B>PKCS#5</B>规范进行填充，如最后一组只有2字节，那么在末尾补上6个字节，每个字节取值均为06，如果刚刚分组完全，则在末尾添加8个字节，字节取值均为08。

密钥K以位为基本单位，密钥长64位，与明文分组一样长，但密钥因为存在8位奇偶校验位，实际起作用的只有56位，密钥需要加密解密双方均知道才可以进行加密解密。

### 2. 算法总体结构

以下明文、密文长均为64位，加密或解密后需手动组装起来

* 加密过程
  * C = DES（M） = ${IP}^{-1}$ * W * $T_{16}$ * $T_{15} $ * ... * $T_{1}$ * $IP$ （M）
    * M为64位明文，C为64位密文
    * IP为初始置换
    * $IP^{-1}$ 为IP的逆置换
    *  $T_{16}$ * $T_{15} $ * ... * $T_1$ 为16轮迭代T，由密钥得出
    * W为前后置换，将64位的前32位与后32位交换位置
* 解密过程
  * M = DeDES（C）= ${IP}^{-1}$ * W * $T_1$ * ... * $T_{15} $ *  $T_{16}$ * $IP$ （C）

### 3. 初始置换IP

IP是64位的置换表，代码中表现为64位数组。其中第0位上的数为58，**表示为新得到的64位串的第0位是原来的第57位（注意是57位而不是58位，因为数组上的数只有1-64，并不是0-63，所以要相对应减1，后面的所有置换表均如此）**，新得到的64位串表示位$L_0$$R_0$，分别代表前32位（即低32位）和后32位（即高32位）。置换表在代码中给出。

### 4. 逆置换$IP^{-1}$

同上，置换表也在代码中给出。

### 5. 16轮T迭代

这是最复杂的一个环节

#### （1）第k轮迭代

$L_i$ = $R_{i-1}$ , $R_i$ = $L_{i-1}$ $\bigoplus$ $f$($R_{i-1}$,$k_i$)，$i$ = 1, 2, ... , 16    

**注：解密过程是反过来的，即i是递减使用的**

* $f$是输出32位的Feistel轮函数

* $k_i$长48位，是由密钥K生成的字密钥，共16个

#### （2）字密钥$k_i$生成

* 对K的56位非校验位进行PC-1置换，PC-1置换表共56位，得到$C_0$$D_0$，分别为前28位和后28位，$i$ = 1
* 计算$C_i$ = L$S_i$($C_{i-1}$)和$D_i$ = L$S_i$($D_{i-1}$)
  * 当i为1，2，9，16时，L$S_i$(A)表示将二进制串A左移一位，否则，左移两位
* 对56位的$C_i$$D_i$进行PC-2置换，得到48位的$k_i$.PC-2置换表共48位，置换表在代码中给出
* 循环得到所有字密钥

#### （3）Feistel轮函数$f$($R_{i-1}$,$k_i$) 

* 将长度位32位的串$R_{i-1}$进行E-扩展，成为48位的串E（$R_{i-1}$）,E-扩展所需要的置换表在代码中给出
* 将E（$R_{i-1}$）和长度位48位的字密钥$k_i$做二进制的异或运算，$k_i$前面已算出
* 将上一步得到的48位结果分成8个分组，每个分组长度为6位
* 将8个分组分别经过8个不同的**S-盒**（$S_1$$S_2$...$S_8$）进行6-4转换，得到8个长度为4位的分组，分组位越低使用的S-盒下标也小，此处是一一对应的，S-盒的转换规则稍后给出
* 将上一步得到的结果按顺序连接在一起得到长度为32位的串
* 将上一步的结果经过P-置换，得到新的32位串，作为$f$($R_{i-1}$,$k_i$) 的返回值。P置换表共32位，代码中给出

#### （4）S-盒转换

每个S-盒均为4行16列的矩阵，矩阵内数据为0-15，可变为二进制串0000-1111。输入的数有6bit，经过转化之后返回4bit。

例：S1为刚刚48位串的最低6位，为“1111001”，自然得使用$S_1$盒。令row = $(11)_{10}$ = 3，其中，高位1为$S_1$的最高位，低位1为$S_1$的最低位。令col = $(1100)_{10}$ = 12，这4个位为中间剩下的4个位。查找$S_1$盒，${[S_1]_{3,12}}$则为输出的四位。<B>注意：3代表的是第4行，因为矩阵下标从0开始，同理12代表13列</B>

8个S-盒的矩阵在代码中给出。

## 三、代码实现模块及结构

此代码支持**中英文**的加密解密，具体代码请看代码文件：data.hpp存放各个置换表，des.cpp是具体实现文件

### （1）自定义结构体代表二进制

```C++
typedef struct data64
{
	bitset<64> bits;
}datas_64;


typedef struct data56
{
	bitset<56> bits;
}datas_56;
//还有其他不同位数的结构体
```

### （2）声明函数模块

```C++
void init_secret_key(); //初始化密钥
void init_K_i(datas_64 secret_key);//初始化子密钥ki
string RKCS_fill(string str);  //RKCS#5补齐8个字节
vector<datas_64> string_to_binary(string str);  //将字符串转化为二进制数
string binary_to_string(vector<datas_64> v);  //将二进制数转化为字符串
vector<datas_64> encryption(vector<datas_64> v); //所有数据的加密算法，第二个参数为密钥
vector<datas_64> Decrypt(vector<datas_64> v); //所有数据的解密算法，第二个参数为密钥
datas_64 byte_encryption(datas_64 v); //64位的加密算法 
datas_64 byte_Decrypt(datas_64 v);  //64位的解密算法
datas_64 IP(datas_64 v); //IP置换
datas_64 IP_inverse(datas_64 v); //IP的逆置换
datas_64 W(datas_64 v);   //W操作
datas_64 T_iteration(datas_64 v, datas_48* K);  //16次T迭代,注意，算法最后的左右交换输出就是W操作，在这里不写，不要重复！！
datas_64 T_iteration_inverse(datas_64 v, datas_48* K);   //16次T的逆迭代，算法最后的左右交换输出就是W操作，在这里不写，不要重复！！
datas_32 Feistel(datas_32 R, datas_48 K); //Feistel轮函数
datas_48 E_extend(datas_32 v); //E-扩展
datas_32 S_box_change(datas_48 v); //s盒6-4转化，48位转位32位
//6-4转化，输入一个6位，输出一个4位，index位第index个S-BOX
datas_4 find_in_Sbox(int index, datas_6 v); 
datas_32 P(datas_32 v); //Feistel轮函数中的P置换
```

### （3）main函数

```C++
int main(){
	init_secret_key();
	init_K_i(secret_key);

	string Plaintext = "";
	char c;
	cout << "输入明文： ";
	while((c = cin.get()) != '\n'){
		Plaintext += c;
	}

	Plaintext = RKCS_fill(Plaintext);
	vector<datas_64> v = string_to_binary(Plaintext);
	vector<datas_64> data1 = encryption(v);
	cout << "密文:  " << binary_to_string(data1) << endl;
	vector<datas_64> data2 = Decrypt(data1);
	cout << "解密后明文:  " << binary_to_string(data2) << endl;
	

	return 0;
}
```





## 四、实验结果

* 输入随机中文

  ![image](./result_image/chinese_result.png)

* 输入随机英文

  ![image](./result_image/english_result.png)

* 中英混合

  ![image](./result_image/all_result.png)