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DES算法的介绍和实现(上)

王朝vc·作者佚名  2006-01-17
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DES算法的介绍和实现(上)

作者:西安 吴真

下载本文配套源代码(DES算法文件加密工具)

一.DES算法介绍

DES( Data Encryption Standard)算法,于1977年得到美国政府的正式许可,是一种用56位密钥来加密64位数据的方法。虽然56位密钥的DES算法已经风光不在,而且常有用Des加密的明文被破译的报道,但是了解一下昔日美国的标准加密算法总是有益的,而且目前DES算法得到了广泛的应用,在某些场合,她仍然发挥着余热^_^.

1.1 密钥生成

1.1.1 取得密钥

从用户处取得一个64位(本文如未特指,均指二进制位))长的密码key ,

去除64位密码中作为奇偶校验位的第8、16、24、32、40、48、56、64位,剩下的56位作为有效输入密钥.

1.1.2 等分密钥

表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

50

44

36

表2.

65

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

把在1.1.1步中生成的56位输入密钥分成均等的A,B两部分,每部分为28位,参照表1和表2把输入密钥的位值填入相应的位置.

按照表1所示A的第一位为输入的64位密钥的第57位,A的第2位为64位密钥的第49位,...,依此类推,A的最后一位最后一位是64位密钥的第36位。

1.1.3 密钥移位

表3.

i

1

2

3

4

5

6

7

8

ǿ

1

1

2

2

2

2

2

2

i

9

10

11

12

13

14

15

16

ǿ

1

2

2

2

2

2

2

1

DES算法的密钥是经过16次迭代得到一组密钥的,把在1.1.2步中生成的A,B视为迭代的起始密钥,表3显示在第i次迭代时密钥循环左移的位数.

比如在第1次迭代时密钥循环左移1位,第3次迭代时密钥循环左移2位.

第9次迭代时密钥循环左移1位,第14次迭代时密钥循环左移2位.

第一次迭代:

A(1) = ǿ(1) A

B(1) = ǿ(1) B

第i次迭代:

A(i) = ǿ(i) A(i-1)

B(i) = ǿ(i) B(i-1)

1.1.4 密钥的选取

表4.

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

在1.1.3步中第i次迭代生成的两个28位长的密钥为

合并

按照表4所示k的第一位为56位密钥的第14位,k的第2位为56位密钥的第17位,...,依此类推,k的最后一位最后一位是56位密钥的第32位。

生成与进行第i次迭代加密的数据进行按位异或的48位使用密钥:

1.1.5迭代

DES算法密钥生成需要进行16次迭代,在完成16次迭代前,循环执行1.1.3-1.1.4步.

最终形成16套加密密钥:key[0] , key[1] , key[2] ,…. key[14] , key[15] .

1. 2 数据的加密操作

1.2.1 取得数据

把明文数据分成64位的数据块,不够64位的数据块以适当的方式补足。

1.2.2 初始换位

表5.

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

按照表5所示把输入的64位数据的原第58位换到第一位,原第50位换到第二位,...,依此类推,最后的得到新的64位数据.

OldData

newData

1.2.3 数据扩展

表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

第一次迭代以1.2.2步中生成的newData作为输入数据,第i (i > 1)次迭代以第i-1次的64位输出数据为输入数据,把64位数据按位置等分成左右两部分:

保持left不变,根据表6把right由32位扩展成48位

把扩展后的48位right与第i次迭代生成的48位加密密钥进行按位异或操作

形成一个新的48位的right.

1.2.4 数据压缩

表7.1

1

2

3

4

5

6

7

8

1-8

0xe

0x0

0x4

0xf

0xd

0x7

0x1

0x4

9-16

0x2

0xe

0xf

0x2

0xb

0xd

0xb

0xe

17-24

0x3

0xa

0xa

0x6

0x6

0xc

0xc

0xb

25-32

0x5

0x9

0x9

0x5

0x0

0x3

0x7

0x8

33-40

0x4

0xf

0x1

0xc

0xe

0x8

0x8

0x2

41-48

0xd

0x4

0x6

0x9

0x2

0x1

0xb

0x7

49-56

0xf

0x5

0xc

0xb

0x9

0x3

0x7

0xe

57-64

0x3

0xa

0xa

0x0

0x5

0x6

0x0

0xd

表7.2

1

2

3

4

5

6

7

8

1-8

0xf

0x3

0x1

0xd

0x8

0x4

0xe

0x7

9-16

0x6

0xf

0xb

0x2

0x3

0x8

0x4

0xf

17-24

0x9

0xc

0x7

0x0

0x2

0x1

0xd

0xa

25-32

0xc

0x6

0x0

0x9

0x5

0xb

0xa

0x5

33-40

0x0

0xd

0xe

0x8

0x7

0xa

0xb

0x1

41-48

0xa

0x3

0x4

0xf

0xd

0x4

0x1

0x2

49-56

0x5

0xb

0x8

0x6

0xc

0x7

0x6

0xc

57-64

0x9

0x0

0x3

0x5

0x2

0xe

0xf

0x9

表7.3

1

2

3

4

5

6

7

8

1-8

0xa

0xd

0x0

0x7

0x9

0x0

0xe

0x9

9-16

0x6

0x3

0x3

0x4

0xf

0x6

0x5

0xa

17-24

0x1

0x2

0xd

0x8

0xc

0x5

0x7

0xe

25-32

0xb

0xc

0x4

0xb

0x2

0xf

0x8

0x1

33-40

0xd

0x1

0x6

0xa

0x4

0xd

0x9

0x0

41-48

0x8

0x6

0xf

0x9

0x3

0x8

0x0

0x7

49-56

0xb

0x4

0x1

0xf

0x2

0xe

0xc

0x3

57-64

0x5

0xb

0xa

0x5

0xe

0x2

0x7

0xc

表7.4

1

2

3

4

5

6

7

8

1-8

0x7

0xd

0xd

0x8

0xe

0xb

0x3

0x5

9-16

0x0

0x6

0x6

0xf

0x9

0x0

0xa

0x3

17-24

0x1

0x4

0x2

0x7

0x8

0x2

0x5

0xc

25-32

0xb

0x1

0xc

0xa

0x4

0xe

0xf

0x9

33-40

0xa

0x3

0x6

0xf

0x9

0x0

0x0

0x6

41-48

0xc

0xa

0xb

0xa

0x7

0xd

0xd

0x8

49-56

0xf

0x9

0x1

0x4

0x3

0x5

0xe

0xb

57-64

0x5

0xc

0x2

0x7

0x8

0x2

0x4

0xe

表7.5

1

2

3

4

5

6

7

8

1-8

0x2

0xe

0xc

0xb

0x4

0x2

0x1

0xc

9-16

0x7

0x4

0xa

0x7

0xb

0xd

0x6

0x1

17-24

0x8

0x5

0x5

0x0

0x3

0xf

0xf

0xa

25-32

0xd

0x3

0x0

0x9

0xe

0x8

0x9

0x6

33-40

0x4

0xb

0x2

0x8

0x1

0xc

0xb

0x7

41-48

0xa

0x1

0xd

0xe

0x7

0x2

0x8

0xd

49-56

0xf

0x6

0x9

0xf

0xc

0x0

0x5

0x9

57-64

0x6

0xa

0x3

0x4

0x0

0x5

0xe

0x3

表7.6

1

2

3

4

5

6

7

8

1-8

0xc

0xa

0x1

0xf

0xa

0x4

0xf

0x2

9-16

0x9

0x7

0x2

0xc

0x6

0x9

0x8

0x5

17-24

0x0

0x6

0xd

0x1

0x3

0xd

0x4

0xe

25-32

0xe

0x0

0x7

0xb

0x5

0x3

0xb

0x8

33-40

0x9

0x4

0xe

0x3

0xf

0x2

0x5

0xc

41-48

0x2

0x9

0x8

0x5

0xc

0xf

0x3

0xa

49-56

0x7

0xb

0x0

0xe

0x4

0x1

0xa

0x7

57-64

0x1

0x6

0xd

0x0

0xb

0x8

0x6

0xd

表7.7

1

2

3

4

5

6

7

8

1-8

0x4

0xd

0xb

0x0

0x2

0xb

0xe

0x7

9-16

0xf

0x4

0x0

0x9

0x8

0x1

0xd

0xa

17-24

0x3

0xe

0xc

0x3

0x9

0x5

0x7

0xc

25-32

0x5

0x2

0xa

0xf

0x6

0x8

0x1

0x6

33-40

0x1

0x6

0x4

0xb

0xb

0xd

0xd

0x8

41-48

0xc

0x1

0x3

0x4

0x7

0xa

0xe

0x7

49-56

0xa

0x9

0xf

0x5

0x6

0x0

0x8

0xf

57-64

0x0

0xe

0x5

0x2

0x9

0x3

0x2

0xc

表7.8

1

2

3

4

5

6

7

8

1-8

0xd

0x1

0x2

0xf

0x8

0xd

0x4

0x8

9-16

0x6

0xa

0xf

0x3

0xb

0x7

0x1

0x4

17-24

0xa

0xc

0x9

0x5

0x3

0x6

0xe

0xb

25-32

0x5

0x0

0x0

0xe

0xc

0x9

0x7

0x2

33-40

0x7

0x2

0xb

0x1

0x4

0xe

0x1

0x7

41-48

0x9

0x4

0xc

0xa

0xe

0x8

0x2

0xd

49-56

0x0

0xf

0x6

0xc

0xa

0x9

0xd

0x0

57-64

0xf

0x3

0x3

0x5

0x5

0x6

0x8

0xb

在1.2.3步中形成了48位的right值,

需要把48位的right值转换成32位的right值.把right视为由8个6位二进制块组成,

a,b….h都是6位,强制转换成10进制整数的值都不大于64 ,a,b…h转成10进制整数后,在对应的表中根据转换后整数值取得对应位置的替代值,

a对应表7.1

b对应表7.2

c对应表7.3

d对应表7.4

e对应表7.5

f对应表7.6

g对应表7.7

h对应表7.8

比如:

a = 32 ,那么到表7.1中找到32的位置,把对应的替代值0x8赋给a;

d = 53 ,那么到表7.4中找到的位置,把对应的替代值 0x3赋给d ;

g = 16, 那么到表7.7中找到16的位置,把对应的替代值0xa赋给g;

每6位用一个4位替换这样就完成了从48位向32位数据的转换.

有些资料中介绍6位转4位的实现方法与本文所采用的不同,但殊途同归,最终的结果是相同的.

1.2.5 数据换位

表8

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

把1.2.4步形成的32位right

根据表8进行转换:

数据的原第16位换到第一位,原第7位换到第二位,...,依此类推,最后得到新的32位数据.

1.2.6 交换数据

把right 和left按位异或后的值赋给right,然后将本轮输入的原始right值赋给left.

1.2.7 迭代

DES算法需要进行16次迭代,在完成16次迭代前,把第i-1次得到的的left和right的值作为第i次的输入数据,重复1.2.3~1.2.6的步骤,但是有一点要记住:在步骤1.2.3中第i次迭代要选择第i次迭代生成的密钥与数据进行按位异或.

1.2.8 数据整理

表9

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

为保证加密和解密的对称性,DES算法的前15次迭代每完成一次迭代都要交换left和right的值,第16次迭代不交换两者的数值. 到此把32位的left和right合并成64位的Data

根据表9重新调整Data的位值

数据的原第40位换到第一位,原第8位换到第二位,...,依此类推,最后的得到新的64位.

Data即为密文.

1.3 数据的解密

数据解密的算法与加密算法相同,区别在于1.2.3步中和数据进行按位异或的密钥的使用顺序不同,在加密中是按照第i次迭代就采用第i次迭代生成的密钥进行异或,而解密时第i次迭代就采用第17-i次迭代生成的密钥和数据进行异或.

二.算法实现

笔者用c语言编写了的基于DES算法的核心加密解密程序并针对不同的加密解密需求封装了6个接口函数.

2. 1 算法实现接口函数的介绍

2.1.1 int des(char *data, char *key,int readlen)

参数:

1.存放待加密明文的内存指针(长度为readlen,可能经过填充;

2.存放用户输入的密钥内存的指针

3.待加密明文的长度(8字节的倍数)

功能:

生成加密密钥,把待加密的明文数据分割成64位的块,逐块完成16次迭代加密,密文存放在data所指向的内存中.

2.1.2 int Ddes(char *data, char *key,int readlen)

参数:

1.存放待解密文的内存指针(长度为readlen,可能经过填充;

2.存放用户输入的密钥内存的指针

3.待解密文的长度( 8字节的倍数)

功能:

生成解密密钥,把待解密文分割成64位的块,逐块完成16次迭代解密,解密后的明文存放在data所指向的内存中.

2.1.3 int des3(char *data, char *key, int n ,int readlen)

参数:

1.存放待加密明文的内存指针(长度为readlen,可能经过填充;

2.存放用户输入的密钥内存的指针

3.用户指定进行多少层加密

4.待加密明文的长度(8字节的倍数)

功能:

生成加密密钥,把待加密的明文分割成64位的块,把第i-1层加密后的密文作为第i层加密的明文输入,根据用户指定的加密层数进行n层加密,最终生成的密文存放在data所指向的内存中.

说明:

用户仅仅输入一条密钥,所有的加密密钥都是由这条密钥生成.

2.1.4 int Ddes3(char *data, char*key, int n ,int readlen)

参数:

1.存放待解密文的内存指针(长度为readlen,可能经过填充;

2.存放用户输入的密钥内存的指针

3.用户指定进行多少层解密

4.待解密文的长度(8字节的倍数)

功能:

生成解密密钥,把待解密文分割成64位的块,把第i-1层解密后的"明文"作为第i层解密的密文输入,根据用户指定的解密层数进行n层解密,最终生成的明文存放在data所指向的内存中.

说明:

用户仅仅输入一条密钥,所有的解密密钥都是由这条密钥生成.

2.1.5 int desN(char*data,char**key,int n_key,int readlen)

参数:

1.存放待加密明文的内存指针(长度为readlen,可能经过填充;

2.存放用户输入的密钥内存的指针

3.用户指定了多少条密钥

4.待加密明文的长度(8字节的倍数)

功能:

生成加密密钥,把待加密的明文分割成64位的块,把第i-1层加密后的密文作为第i层加密的明文输入,根据用户指定的加密层数进行n层加密,最终生成的密文存放在data所指向的内存中.

说明:

这里用户通过输入的密钥条数决定加密的层数,每轮16次迭代加密所使用的加密密钥是由用户自定的对应密钥生成.

2.1.6 int DdesN(char*data,char**key,intn_key,int readlen)

参数:

1.存放待解密文的内存指针(长度为readlen,可能经过填充;

2.存放用户输入的密钥内存的指针

3.用户指定了多少条密钥

4.待解密文的长度(8字节的倍数)

功能:

生成解密密钥,把待解密文分割成64位的块,把第i-1层解密后的”明文”作为第i层解密的密文输入,根据用户指定的解密层数进行n层解密,最终生成的明文存放在data所指向的内存中.

说明:

这里用户通过输入的密钥条数决定解密的层数,每轮16次迭代加密所使用的解密密钥是由用户自定的对应密钥生成.

源代码说明:

这是一个有关DES算法实现文件加密工具的代码,我把算法实现的代码封装在了一个DLL中.工程中已经把环境设置好了,无论选择Debug版本还是Release版本只需直接编译就行了.使用时把.exe文件和.dll文件拷贝到同一个目录中即可

DES算法的介绍和实现(下)

作者信息:

地址:西安沣惠南路8号西安大唐电信数据通信部(邮编 710075)

电话:029-8379381

E-Mail:hitwz@163.com

 
 
 
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