《信息安全技术》这门课又在讲 DES 加密算法了，以前用纯C写过一次，这次我用 C++ 重新写了一个，写篇文章以备后用。本文介绍了 DES 算法加密的大致步骤和整体流程。

一、DES算法原理

DES算法是一种最通用的对称密钥算法，因为算法本身是公开的，所以其安全性在于密钥的安全性。基于密钥的算法通常有两类：对称算法和公开密钥算法。对称算法的对称性体现在加密密钥能够从解密密钥推算出来，反之亦然。在大多数对称算法中，加解密的密钥是相同的，DES就是这样。可见，对称密钥算法的加解密密钥都是保密的。而公开密钥算法的加密密钥是公开的，解密密钥是保密的。

下面是 DES 加密算法的整体流程图：

从上面的流程图可以看出，DES加密主要由四个部分完成：

初始置换 IP；
子密钥 Ki 的获取；
密码函数 f ；
尾置换 IP^-1 ；

其中，第二部分和第三部分是 DES 算法的核心。注意：DES 解密算法与加密算法完全相同，只需要将子密钥的使用顺序反过来就行了。

下面分别讲一下各个部分的大致思路。

1）初始置换IP

这一部分很简单，IP（initial permutation）是一个 8x8 的置换表：

int 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 };

根据表中的规定，将输入的 64 位明文重新进行排序，即将第 58 位放到第 1 位，第 50 位放到第 2 位……以此类推。初始置换以后得到的是一个 64 位的输出。

2）子密钥 K_i 的获取

下面是获取子密钥 K_i 的流程图：

流程图已经把思路很清楚的表达出来了，很简单：

用户输出的密钥是 64 位的，根据密钥置换表PC-1，将
64 位变成 56 位密钥。（去掉了奇偶校验位）
将 PC-1 置换得到的 56 位密钥，分为前28位 C₀ 和后28位 D₀，分别对它们进行循环左移，C₀左移得到 C₁，D₀ 左移得到 D₁。
将 C₁ 和 D₁ 合并成 56 位，然后通过PC-2表进行压缩置换，得到当前这一轮的
48 位子密钥 K₁ 。
然后对 C₁ 和 D₁ 进行左移和压缩置换，获取下一轮的子密钥……一共进行16轮，得到 16 个 48 位的子密钥。

这部分需要用到的表 PC-1 和表 PC-2 如下：

// 密钥置换表，将64位密钥变成56位

int 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}; 

// 压缩置换，将56位密钥压缩成48位子密钥

int PC_2[] = {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};

// 每轮左移的位数

int shiftBits[] = {1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1};

3）密码函数 f

下面是密码函数f(R, K)的流程图：

密码函数f(R, K)接受两个输入：32 位的数据和 48 位的子密钥。然后：

通过表 E 进行扩展置换，将输入的 32 位数据扩展为 48 位；
将扩展后的 48 位数据与 48 位的子密钥进行异或运算；
将异或得到的 48 位数据分成 8 个 6 位的块，每一个块通过对应的一个 S 表产生一个 4 位的输出。其中，每个 S 表都是 4 行 16 列。具体的置换过程如下：把 6 位输入中的第 1 位和第 6 位取出来行成一个两位的二进制数 x ，作为 S_i 表中的行数（0~3）；把 6 位输入的中间 4 位构成另外一个二进制数 y，作为
S_i 表的列数（0~15）；查出 S_i 表中 x 行 y 列所对应的整数，将该整数转换为一个 4 位的二进制数。
把通过 S 表置换得到的 8 个 4 位连在一起，形成一个 32 位的数据。然后将该 32 位数据通过表 P 进行置换（称为P-置换），置换后得到一个仍然是 32 位的结果数据，这就是f(R, K)函数的输出。

这部分用到了扩展置换表E，8个S表以及P-置换表，如下：

// 扩展置换表，将 32位 扩展至 48位

int E[] = {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，每个S盒是4x16的置换表，6位 -> 4位

int S_BOX[8][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}

	},

	{

		{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}

	}

};

// P置换，32位 -> 32位

int P[] = {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 };

4）尾置换IP^-1

合并 L₁₆ 和 R₁₆ 得到一个 64 位的数据，再经过尾置换后得到的就是 64 位的密文。注意：要将 L₁₆和 R₁₆ 合并成 R₁₆L₁₆（即左右互换）。尾置换表IP-1如下：

// 尾置换表

int IP_1[] = {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};

OK！现在我们可以回到本文的开头，去看看 DES 算法的整体流程图，思路就已经很清楚了。

二、C++实现

在 DES 算法的实现中，我用 C++ STL 中的bitset来操作二进制位，另外，这里我没有考虑时间和空间的优化。下面是对一个
64 位数据进行加密解密的源代码：

/*************************************************************************

    > File Name: Des.cpp

    > Author: SongLee

    > E-mail: lisong.shine@qq.com

    > Created Time: 2014年06月01日 星期日 19时46分32秒

    > Personal Blog: http://songlee24.github.com

 ************************************************************************/

#include <iostream>

#include <fstream>

#include <bitset>

#include <string>

using namespace std;

bitset<64> key;                // 64位密钥

bitset<48> subKey[16];         // 存放16轮子密钥

// 初始置换表

int 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};

// 结尾置换表

int IP_1[] = {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};

/*------------------下面是生成密钥所用表-----------------*/

// 密钥置换表，将64位密钥变成56位

int 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}; 

// 压缩置换，将56位密钥压缩成48位子密钥

int PC_2[] = {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};

// 每轮左移的位数

int shiftBits[] = {1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1};

/*------------------下面是密码函数 f 所用表-----------------*/

// 扩展置换表，将 32位 扩展至 48位

int E[] = {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，每个S盒是4x16的置换表，6位 -> 4位

int S_BOX[8][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}

	},

	{

		{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}

	}

};

// P置换，32位 -> 32位

int P[] = {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 };

/**********************************************************************/

/*                                                                    */

/*                            下面是DES算法实现                         */

/*                                                                    */

/**********************************************************************/

/**

 *  密码函数f，接收32位数据和48位子密钥，产生一个32位的输出

 */

bitset<32> f(bitset<32> R, bitset<48> k)

{

	bitset<48> expandR;

	// 第一步：扩展置换，32 -> 48

	for(int i=0; i<48; ++i)

		expandR[47-i] = R[32-E[i]];

	// 第二步：异或

	expandR = expandR ^ k;

	// 第三步：查找S_BOX置换表

	bitset<32> output;

	int x = 0;

	for(int i=0; i<48; i=i+6)

	{

		int row = expandR[47-i]*2 + expandR[47-i-5];

		int col = expandR[47-i-1]*8 + expandR[47-i-2]*4 + expandR[47-i-3]*2 + expandR[47-i-4];

		int num = S_BOX[i/6][row][col];

		bitset<4> binary(num);

		output[31-x] = binary[3];

		output[31-x-1] = binary[2];

		output[31-x-2] = binary[1];

		output[31-x-3] = binary[0];

		x += 4;

	}

	// 第四步：P-置换，32 -> 32

	bitset<32> tmp = output;

	for(int i=0; i<32; ++i)

		output[31-i] = tmp[32-P[i]];

	return output;

}

/**

 *  对56位密钥的前后部分进行左移

 */

bitset<28> leftShift(bitset<28> k, int shift)

{

	bitset<28> tmp = k;

	for(int i=27; i>=0; --i)

	{

		if(i-shift<0)

			k[i] = tmp[i-shift+28];

		else

			k[i] = tmp[i-shift];

	}

	return k;

}

/**

 *  生成16个48位的子密钥

 */

void generateKeys()

{

	bitset<56> realKey;

	bitset<28> left;

	bitset<28> right;

	bitset<48> compressKey;

	// 去掉奇偶标记位，将64位密钥变成56位

	for (int i=0; i<56; ++i)

		realKey[55-i] = key[64 - PC_1[i]];

	// 生成子密钥，保存在 subKeys[16] 中

	for(int round=0; round<16; ++round)

	{

		// 前28位与后28位

		for(int i=28; i<56; ++i)

			left[i-28] = realKey[i];

		for(int i=0; i<28; ++i)

			right[i] = realKey[i];

		// 左移

		left = leftShift(left, shiftBits[round]);

		right = leftShift(right, shiftBits[round]);

		// 压缩置换，由56位得到48位子密钥

		for(int i=28; i<56; ++i)

			realKey[i] = left[i-28];

		for(int i=0; i<28; ++i)

			realKey[i] = right[i];

		for(int i=0; i<48; ++i)

			compressKey[47-i] = realKey[56 - PC_2[i]];

		subKey[round] = compressKey;

	}

}

/**

 *  工具函数：将char字符数组转为二进制

 */

bitset<64> charToBitset(const char s[8])

{

	bitset<64> bits;

	for(int i=0; i<8; ++i)

		for(int j=0; j<8; ++j)

			bits[i*8+j] = ((s[i]>>j) & 1);

	return bits;

}

/**

 *  DES加密

 */

bitset<64> encrypt(bitset<64>& plain)

{

	bitset<64> cipher;

	bitset<64> currentBits;

	bitset<32> left;

	bitset<32> right;

	bitset<32> newLeft;

	// 第一步：初始置换IP

	for(int i=0; i<64; ++i)

		currentBits[63-i] = plain[64-IP[i]];

	// 第二步：获取 Li 和 Ri

	for(int i=32; i<64; ++i)

		left[i-32] = currentBits[i];

	for(int i=0; i<32; ++i)

		right[i] = currentBits[i];

	// 第三步：共16轮迭代

	for(int round=0; round<16; ++round)

	{

		newLeft = right;

		right = left ^ f(right,subKey[round]);

		left = newLeft;

	}

	// 第四步：合并L16和R16，注意合并为 R16L16

	for(int i=0; i<32; ++i)

		cipher[i] = left[i];

	for(int i=32; i<64; ++i)

		cipher[i] = right[i-32];

	// 第五步：结尾置换IP-1

	currentBits = cipher;

	for(int i=0; i<64; ++i)

		cipher[63-i] = currentBits[64-IP_1[i]];

	// 返回密文

	return cipher;

}

/**

 *  DES解密

 */

bitset<64> decrypt(bitset<64>& cipher)

{

	bitset<64> plain;

	bitset<64> currentBits;

	bitset<32> left;

	bitset<32> right;

	bitset<32> newLeft;

	// 第一步：初始置换IP

	for(int i=0; i<64; ++i)

		currentBits[63-i] = cipher[64-IP[i]];

	// 第二步：获取 Li 和 Ri

	for(int i=32; i<64; ++i)

		left[i-32] = currentBits[i];

	for(int i=0; i<32; ++i)

		right[i] = currentBits[i];

	// 第三步：共16轮迭代（子密钥逆序应用）

	for(int round=0; round<16; ++round)

	{

		newLeft = right;

		right = left ^ f(right,subKey[15-round]);

		left = newLeft;

	}

	// 第四步：合并L16和R16，注意合并为 R16L16

	for(int i=0; i<32; ++i)

		plain[i] = left[i];

	for(int i=32; i<64; ++i)

		plain[i] = right[i-32];

	// 第五步：结尾置换IP-1

	currentBits = plain;

	for(int i=0; i<64; ++i)

		plain[63-i] = currentBits[64-IP_1[i]];

	// 返回明文

	return plain;

}

/**********************************************************************/

/* 测试：                                                             */

/*     1.将一个 64 位的字符串加密， 把密文写入文件 a.txt                  */

/*     2.读取文件 a.txt 获得 64 位密文，解密之后再写入 b.txt              */

/**********************************************************************/

int main() {

	string s = "romantic";

	string k = "12345678";

	bitset<64> plain = charToBitset(s.c_str());

	key = charToBitset(k.c_str());

	// 生成16个子密钥

	generateKeys();

	// 密文写入 a.txt

	bitset<64> cipher = encrypt(plain);

	fstream file1;

	file1.open("D://a.txt", ios::binary | ios::out);

	file1.write((char*)&cipher,sizeof(cipher));

	file1.close();

	// 读文件 a.txt

	bitset<64> temp;

	file1.open("D://a.txt", ios::binary | ios::in);

	file1.read((char*)&temp, sizeof(temp));

	file1.close();

	// 解密，并写入文件 b.txt

	bitset<64> temp_plain = decrypt(temp);

	file1.open("D://b.txt", ios::binary | ios::out);

	file1.write((char*)&temp_plain,sizeof(temp_plain));

	file1.close();

	return 0;

}

运行结果（VS2012）：

那么，在对 64 位的数据加解密成功以后，对文件的加解密就很简单了！只需要每次读 64 位，加密以后，将 64 位的密文写入另外一个文件…..如此循环，直到文件尾。下面是对一张图片进行加密和解密的测试代码：

int main() {

	string k = "12345678";

	key = charToBitset(k.c_str());

	generateKeys();   // 生成16个子密钥

	// 将文件 flower.jpg 加密到 cipher.txt 中

	ifstream in;

	ofstream out;

	in.open("D://flower.jpg", ios::binary);

	out.open("D://cipher.txt", ios::binary);

	bitset<64> plain;

	while(in.read((char*)&plain, sizeof(plain)))

	{

		bitset<64> cipher  = encrypt(plain);

		out.write((char*)&cipher, sizeof(cipher));

		plain.reset();  // 置0

	}

	in.close();

	out.close();

	// 解密 cipher.txt，并写入图片 flower1.jpg

	in.open("D://cipher.txt", ios::binary);

	out.open("D://flower1.jpg", ios::binary);

	while(in.read((char*)&plain, sizeof(plain)))

	{

		bitset<64> temp  = decrypt(plain);

		out.write((char*)&temp, sizeof(temp));

		plain.reset();  // 置0

	}

	in.close();

	out.close();

	return 0;

}

（全文完）

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