网络与信息安全
Introduction to Network and Security
——DES 加密解密算法的C++实现
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20##年10月
一、 DES算法的实现
1．DES简介
本世纪五十年代以来，密码学研究领域出现了最具代表性的两大成就。其中之一就是1971年美国学者塔奇曼（Tuchman）和麦耶（Meyer）根据信息论创始人香农（Shannon）提出的“多重加密有效性理论”创立的，后于1977年由美国国家标准局颁布的数据加密标准。
DES密码实际上是Lucifer密码的进一步发展。它是一种采用传统加密方法的区组密码。它的算法是对称的，既可用于加密又可用于解密。
美国国家标准局1973年开始研究除国防部外的其它部门的计算机系统的数据加密标准，于1973年5月15日和1974年8月27日先后两次向公众发出了征求加密算法的公告。加密算法要达到的目的通常称为DES密码算法要求主要为以下四点：
提供高质量的数据保护，防止数据未经授权的泄露和未被察觉的修改；具有相当高的复杂性，使得破译的开销超过可能获得的利益，同时又要便于理解和掌握DES密码体制的安全性应该不依赖于算法的保密，其安全性仅以加密密钥的保密为基础实现经济，运行有效，并且适用于多种完全不同的应用。
1977年1月，美国政府颁布：采纳IBM公司设计的方案作为非机密数据的正式数据加密标准（DES枣Data Encryption Standard）。
目前在这里，随着三金工程尤其是金卡工程的启动，DES算法在POS、ATM、磁卡及智能卡（IC卡）、加油站、高速公路收费站等领域被广泛应用，以此来实现关键数据的保密，如信用卡持卡人的PIN的加密传输，IC卡与POS间的双向认证、金融交易数据包的MAC校验等，均用到DES算法。
DES算法的入口参数有三个：Key、Data、Mode。其中Key为8个字节共64位，是DES算法的工作密钥；Data也为8个字节64位，是要被加密或被解密的数据；Mode为DES的工作方式，有两种：加密或解密。
DES算法是这样工作的：如Mode为加密，则用Key 去把数据Data进行加密， 生成Data的密码形式（64位）作为DES的输出结果；如Mode为解密，则用Key去把密码形式的数据Data解密，还原为Data的明码形式（64位）作为DES的输出结果。在通信网络的两端，双方约定一致的Key，在通信的源点用Key对核心数据进行DES加密，然后以密码形式在公共通信网（如电话网）中传输到通信网络的终点，数据到达目的地后，用同样的Key对密码数据进行解密，便再现了明码形式的核心数据。这样，便保证了核心数据（如PIN、MAC等）在公共通信网中传输的安全性和可靠性。
通过定期在通信网络的源端和目的端同时改用新的Key，便能更进一步提高数据的保密性，这正是现在金融交易网络的流行做法。
2．DES算法详述
DES算法把64位的明文输入块变为64位的密文输出块，它所使用的密钥也是64位,其功能是把输入的64位数据块按位重新组合，并把输出分为L0 、R0两部分，每部分各长32位，其置换规则见下表：
58,50,12,34,26,18,10,2,60,52,44,36,28,20,12,4,
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,
即将输入的第58位换到第一位，第50位换到第2位，……，依此类推，最后一位是原来的第7位。 L0、R0则是换位输出后的两部分，L0是输出的左32位，R0 是右32位，例：设置换前的输入值为D1D2D3……D64，则经过初始置换后的结果为：L0=D550……D8；R0=D57D49...D7。
经过26次迭代运算后，得到L16、R16，将此作为输入，进行逆置换，即得到密文输出。逆置换正好是初始置的逆运算，例如，第1位经过初始置换后，处于第40位，而通过逆置换，又将第40位换回到第1位，其逆置换规则如下表所示：
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,
放大换位表
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,
单纯换位表
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,
在f(Ri,Ki)算法描述图中，S1,S2...S8为选择函数，其功能是把6bit数据变为4bit数据。下面给出选择函数Si(i=1,2......8)的功能表：
选择函数Si
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,
3．子密钥Ki(48bit)的生成算法
初始Key值为64位，但DES算法规定，其中第8、16、......64位是奇偶校验位，不参与DES运算。故Key 实际可用位数便只有56位。即：经过缩小选择换位表1的变换后，Key 的位数由64 位变成了56位，此56位分为C0、D0两部分，各28位，然后分别进行第1次循环左移，得到C1、D1，将C1（28位）、D1（28位）合并得到56位，再经过缩小选择换位2，从而便得到了密钥K0（48位）。依此类推，便可得到K1、K2、......、K15，不过需要注意的是，16次循环左移对应的左移位数要依据下述规则进行：
循环左移位数1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1
以上介绍了DES算法的加密过程。 DES算法的解密过程是一样的，区别仅仅在于第一次迭代时用子密钥K15，第二次K14、……，最后一次用K0，算法本身并没有任何变化。
二、 加/解密执行过程及结果
1．运行程序
2．加密过程（同时生成密文文档）
3．解密过程（同时生成明文外部文档）
三、 源代码
#include "stdafx.h"
#include "DESTest.h"
#include "DESTestDlg.h"
#include "Encrypt.h"
void CDES::deskey(unsigned char key[8], Mode md)
{
register int ii, j, l, m, n;
unsigned char pc1m[56], pcr[56];
unsigned long kn[32];
for (j = 0; j < 56; j++)
{
l = pc1[j];
m = l & 07;
pc1m[j] = (key[l >> 3] & bytebit[m]) ? 1:0;
}
for (ii = 0; ii < 16; ii++)
{
if (md == DECRYPT)
m = (15 - ii) << 1;
else
m = ii << 1;
n = m + 1;
kn[m] = kn[n] = 0L;
for (j = 0; j < 28; j++)
{
l = j + totrot[ii];
if (l < 28)
pcr[j] = pc1m[l];
else
pcr[j] = pc1m[l - 28];
}
for (j = 28; j < 56; j++)
{
l = j + totrot[ii];
if (l < 56)
pcr[j] = pc1m[l];
else
pcr[j] = pc1m[l - 28];
}
for (j = 0; j < 24; j++)
{
if (pcr[ pc2[j] ])
kn[m] |= bigbyte[j];
if (pcr[ pc2[j+24] ])
kn[n] |= bigbyte[j];
}
}
cookey(kn);
return;
}
void CDES::cookey(register unsigned long *raw1)
{
register unsigned long *cook, *raw0;
unsigned long dough[32];
register int i;
cook = dough;
for (i = 0; i < 16; i++, raw1++)
{
raw0 = raw1++;
*cook = (*raw0 & 0x00fc0000L) << 6;
*cook |= (*raw0 & 0x00000fc0L) << 10;
*cook |= (*raw1 & 0x00fc0000L) >> 10;
*cook++ |= (*raw1 & 0x00000fc0L) >> 6;
*cook = (*raw0 & 0x0003f000L) << 12;
*cook |= (*raw0 & 0x0000003fL) << 16;
*cook |= (*raw1 & 0x0003f000L) >> 4;
*cook++ |= (*raw1 & 0x0000003fL);
}
usekey(dough);
return;
}
void CDES::usekey(register unsigned long *from)
{
register unsigned long *to, *endp;
to = KnL, endp = &KnL[32];
while (to < endp)
{
*to++ = *from++;
}
return;
}
void CDES::scrunch(register unsigned char *outof, register unsigned long *into )
{
*into = (*outof++ & 0xffL) << 24;
*into |= (*outof++ & 0xffL) << 16;
*into |= (*outof++ & 0xffL) << 8;
*into++ |= (*outof++ & 0xffL);
*into = (*outof++ & 0xffL) << 24;
*into |= (*outof++ & 0xffL) << 16;
*into |= (*outof++ & 0xffL) << 8;
*into |= (*outof & 0xffL);
return;
}
void CDES::unscrun(register unsigned long *outof, register unsigned char *into)
{
*into++ = (*outof >> 24) & 0xffL;
*into++ = (*outof >> 16) & 0xffL;
*into++ = (*outof >> 8) & 0xffL;
*into++ = *outof++ & 0xffL;
*into++ = (*outof >> 24) & 0xffL;
*into++ = (*outof >> 16) & 0xffL;
*into++ = (*outof >> 8) & 0xffL;
*into = *outof & 0xffL;
return;
}
void CDES::desfunc(register unsigned long *block, register unsigned long *keys)
{
register unsigned long fval, work, right, leftt;
register int round;
leftt = block[0];
right = block[1];
work = ((leftt >> 4) ^ right) & 0x0f0f0f0fL;
right ^= work;
leftt ^= (work << 4);
work = ((leftt >> 16) ^ right) & 0x0000ffffL;
right ^= work;
leftt ^= (work << 16);
work = ((right >> 2) ^ leftt) & 0x33333333L;
leftt ^= work;
right ^= (work << 2);
work = ((right >> 8) ^ leftt) & 0x00ff00ffL;
leftt ^= work;
right ^= (work << 8);
right = ((right << 1) | ((right >> 31) & 1L)) & 0xffffffffL;
work = (leftt ^ right) & 0xaaaaaaaaL;
leftt ^= work;
right ^= work;
leftt = ((leftt << 1) | ((leftt >> 31) & 1L)) & 0xffffffffL;
for (round = 0; round < 8; round++)
{
work = (right << 28) | (right >> 4);
work ^= *keys++;
fval = SP7[work & 0x3fL];
fval |= SP5[(work >> 8) & 0x3fL];
fval |= SP3[(work >> 16) & 0x3fL];
fval |= SP1[(work >> 24) & 0x3fL];
work = right ^ *keys++;
fval |= SP8[work & 0x3fL];
fval |= SP6[(work >> 8) & 0x3fL];
fval |= SP4[(work >> 16) & 0x3fL];
fval |= SP2[(work >> 24) & 0x3fL];
leftt ^= fval;
work = (leftt << 28) | (leftt >> 4);
work ^= *keys++;
fval = SP7[work & 0x3fL];
fval |= SP5[(work >> 8) & 0x3fL];
fval |= SP3[(work >> 16) & 0x3fL];
fval |= SP1[(work >> 24) & 0x3fL];
work = leftt ^ *keys++;
fval |= SP8[work & 0x3fL];
fval |= SP6[(work >> 8) & 0x3fL];
fval |= SP4[(work >> 16) & 0x3fL];
fval |= SP2[(work >> 24) & 0x3fL];
right ^= fval;
}
right = (right << 31) | (right >> 1);
work = (leftt ^ right) & 0xaaaaaaaaL;
leftt ^= work;
right ^= work;
leftt = (leftt << 31) | ( leftt >> 1);
work = ((leftt >> 8) ^ right) & 0x00ff00ffL;
right ^= work;
leftt ^= (work << 8);
work = ((leftt >> 2) ^ right) & 0x33333333L;
right ^= work;
leftt ^= (work << 2);
work = ((right >> 16) ^ leftt) & 0x0000ffffL;
leftt ^= work;
right ^= (work << 16);
work = ((right >> 4) ^ leftt) & 0x0f0f0f0fL;
leftt ^= work;
right ^= (work << 4);
*block++ = right;
*block = leftt;
return;
};
unsigned char CDES::Df_Key[24] =
{
0x01, 0x23, 0x45, 0x67, 0x89, 0xab, 0xcd, 0xef,
0xfe, 0xdc, 0xba, 0x98, 0x76, 0x54, 0x32, 0x10,
0x89, 0xab, 0xcd, 0xef, 0x01, 0x23, 0x45, 0x67
};
unsigned short CDES::bytebit[8] =
{
0200, 0100, 040, 020, 010, 04, 02, 01
};
unsigned long CDES::bigbyte[24] =
{
0x800000L, 0x400000L, 0x200000L, 0x100000L,
0x80000L, 0x40000L, 0x20000L, 0x10000L,
0x8000L, 0x4000L, 0x2000L, 0x1000L,
0x800L, 0x400L, 0x200L, 0x100L,
0x80L, 0x40L, 0x20L, 0x10L,
0x8L, 0x4L, 0x2L, 0x1L
};
unsigned char CDES::pc1[56] =
{
56, 48, 40, 32, 24, 16, 8, 0, 57, 49, 41, 33, 25, 17,
9, 1, 58, 50, 42, 34, 26, 18, 10, 2, 59, 51, 43, 35,
62, 54, 46, 38, 30, 22, 14, 6, 61, 53, 45, 37, 29, 21,
13, 5, 60, 52, 44, 36, 28, 20, 12, 4, 27, 19, 11, 3
};
unsigned char CDES::totrot[16] =
{
1, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 15, 17, 19, 21, 23, 25, 27, 28
};
unsigned char CDES::pc2[48] =
{
13, 16, 10, 23, 0, 4, 2, 27, 14, 5, 20, 9,
22, 18, 11, 3, 25, 7, 15, 6, 26, 19, 12, 1,
40, 51, 30, 36, 46, 54, 29, 39, 50, 44, 32, 47,
43, 48, 38, 55, 33, 52, 45, 41, 49, 35, 28, 31
};
unsigned long CDES::SP1[64] =
{
0x01010400L, 0x00000000L, 0x00010000L, 0x01010404L,
0x01010004L, 0x00010404L, 0x00000004L, 0x00010000L,
0x00000400L, 0x01010400L, 0x01010404L, 0x00000400L,
0x01000404L, 0x01010004L, 0x01000000L, 0x00000004L,
0x00000404L, 0x01000400L, 0x01000400L, 0x00010400L,
0x00010400L, 0x01010000L, 0x01010000L, 0x01000404L,
0x00010004L, 0x01000004L, 0x01000004L, 0x00010004L,
0x00000000L, 0x00000404L, 0x00010404L, 0x01000000L,
0x00010000L, 0x01010404L, 0x00000004L, 0x01010000L,
0x01010400L, 0x01000000L, 0x01000000L, 0x00000400L,
0x01010004L, 0x00010000L, 0x00010400L, 0x01000004L,
0x00000400L, 0x00000004L, 0x01000404L, 0x00010404L,
0x01010404L, 0x00010004L, 0x01010000L, 0x01000404L,
0x01000004L, 0x00000404L, 0x00010404L, 0x01010400L,
0x00000404L, 0x01000400L, 0x01000400L, 0x00000000L,
0x00010004L, 0x00010400L, 0x00000000L, 0x01010004L
};