DES

　  本文对DES的介绍部分摘自博文DES加密算法的C++实现，具体实现则由自己完成。

　　另外，DES的官方文档链接见这里，在维基百科上也有比较详细的介绍。不过，DES已经被证明是不安全的（可见于RSA公司官网），在实际中已经应该较少。因此，后来人们又开发出来了三重DES以代替DES，具体介绍可见这里。

　　DES采用的是Feistel密码结构。如51CTO.COM上一篇文章说的，Feistel密码结构的优美之处就在于：无论对于多么怪异的轮函数，都可以轻松执行解密。详细介绍可参考维基百科上的介绍。

　 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：

1. 初始置换 IP；
2. 子密钥 Ki 的获取；
3. 密码函数 f ；
4. 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[] = { , , , , , , , ,
              , , , , , , , ,
              , , , , , , , ,
              , , , , , , , ,
              , , , , , , ,  ,
              , , , , , , , ,
              , , , , , , , ,
              , , , , , , ,  };

　　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[] = {, , , , , , ,
                , , , , , , ,
               ,  , , , , , ,
               , ,  , , , , ,
               , , , , , , ,
                , , , , , , ,
               ,  , , , , , ,
               , ,  , , , ,  }; 

 // 压缩置换，将56位密钥压缩成48位子密钥
 int PC_2[] = {, , , ,  ,  ,
                , , ,  , , ,
               , , ,  , ,  ,
               ,  , , , ,  ,
               , , , , , ,
               , , , , , ,
               , , , , , ,
               , , , , , };

 // 每轮左移的位数
 int shiftBits[] = {, , , , , , , , , , , , , , , };

　　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[] = {,  ,  ,  ,  ,  ,
             ,  ,  ,  ,  ,  ,
             ,  , , , , ,
            , , , , , ,
            , , , , , ,
            , , , , , ,
            , , , , , ,
            , , , , ,  };

 // S盒，每个S盒是4x16的置换表，6位 -> 4位
 int S_BOX[][][] = {
     {
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,}
     },
     {
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,}
     },
     {
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,}
     },
     {
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,}
     },
     {
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,}
     },
     {
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,}
     },
     {
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,}
     },
     {
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,},
         {,,,,,,,,,,,,,,,}
     }
 };

 // P置换，32位 -> 32位
 int P[] = {,  , , ,
            , , , ,
             , , , ,
             , , , ,
             ,  , , ,
            , ,  ,  ,
            , , ,  ,
            , ,  ,  };

　　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[] = {, , , , , , , ,
               , , , , , , , ,
               , , , , , , , ,
               , , , , , , , ,
               , , , , , , , ,
               , , , , , , , ,
               , , , , , , , ,
               , , ,  , , , , };

　　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

　　C++实现见Github.