如何用c预语言实现des算法

如何用C语言实现DES算法

实现DES算法的关键在于：理解DES算法的工作原理、掌握C语言的基础知识、实现各个模块并进行整合。 首先，我们需要了解DES（Data Encryption Standard）算法的基本原理和流程，然后再用C语言逐步实现各个模块，最终组合成一个完整的加密和解密功能。接下来，我们将详细展开其中的一个核心步骤——如何实现DES算法中的Feistel函数。

一、DES算法概述

1、DES算法简介

DES（Data Encryption Standard）是一种对称加密算法，由IBM在1970年代开发，并被美国国家标准局（现在的NIST）采纳为联邦信息处理标准。DES算法采用56位密钥，对64位数据块进行加密。尽管DES的安全性在现代已不再足够，但其基本原理仍然是理解现代加密技术的基础。

2、工作原理

DES的核心是一个16轮的Feistel网络。每一轮操作包括扩展置换、密钥混合、S盒替代和置换。总体流程如下：

1. 初始置换（IP）
2. 16轮Feistel结构
3. 逆初始置换（IP-1）

3、Feistel函数

Feistel函数是DES算法的核心。它将输入数据分为左右两部分，经过扩展、密钥混合、S盒替代和置换后，再与左半部分数据进行异或运算。

二、C语言实现初始置换和逆初始置换

1、初始置换（IP）

初始置换的目的是重新排列输入的64位数据。我们可以用一个数组来表示置换表，然后根据这个置换表对输入数据进行重新排列。

#include <stdint.h>

#include <stdio.h>
// 初始置换表
int IP[64] = {
    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
};
// 初始置换函数
uint64_t initial_permutation(uint64_t input) {
    uint64_t output = 0;
    for (int i = 0; i < 64; i++) {
        output |= ((input >> (64 - IP[i])) & 1) << (63 - i);
    }
    return output;
}

2、逆初始置换（IP-1）

逆初始置换的工作原理和初始置换类似，只是置换表不同。

// 逆初始置换表

int IP_inv[64] = {
    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
};
// 逆初始置换函数
uint64_t inverse_permutation(uint64_t input) {
    uint64_t output = 0;
    for (int i = 0; i < 64; i++) {
        output |= ((input >> (64 - IP_inv[i])) & 1) << (63 - i);
    }
    return output;
}

三、Feistel函数

1、扩展置换（E-Box）

扩展置换将32位输入扩展到48位，以便与48位的子密钥进行异或操作。

int E[48] = {

    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
};
uint64_t e_box(uint32_t input) {
    uint64_t output = 0;
    for (int i = 0; i < 48; i++) {
        output |= ((uint64_t)((input >> (32 - E[i])) & 1)) << (47 - i);
    }
    return output;
}

2、S盒替代（S-Box）

S盒将6位输入映射到4位输出。DES中共有8个S盒。

int S[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}
    },
    // 其他7个S盒省略
};
uint32_t s_box(uint64_t input) {
    uint32_t output = 0;
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        uint8_t six_bits = (input >> (42 - 6 * i)) & 0x3F;
        uint8_t row = ((six_bits & 0x20) >> 4) | (six_bits & 0x01);
        uint8_t col = (six_bits >> 1) & 0x0F;
        output |= S[i][row][col] << (28 - 4 * i);
    }
    return output;
}

3、P置换（P-Box）

P置换对S盒替代后的32位数据进行重新排列。

int P[32] = {

    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
};
uint32_t p_box(uint32_t input) {
    uint32_t output = 0;
    for (int i = 0; i < 32; i++) {
        output |= ((input >> (32 - P[i])) & 1) << (31 - i);
    }
    return output;
}

4、Feistel函数

将上述步骤组合成Feistel函数。

uint32_t feistel(uint32_t half_block, uint64_t subkey) {

    uint64_t expanded_half = e_box(half_block);
    uint64_t xored = expanded_half ^ subkey;
    uint32_t substituted = s_box(xored);
    return p_box(substituted);
}

四、密钥调度

1、密钥置换选择1（PC-1）

将64位密钥压缩为56位。

int PC1[56] = {

    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
};
uint64_t permuted_choice_1(uint64_t key) {
    uint64_t output = 0;
    for (int i = 0; i < 56; i++) {
        output |= ((key >> (64 - PC1[i])) & 1) << (55 - i);
    }
    return output;
}

2、密钥置换选择2（PC-2）

将56位密钥压缩为48位子密钥。

int PC2[48] = {

    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
};
uint64_t permuted_choice_2(uint64_t key) {
    uint64_t output = 0;
    for (int i = 0; i < 48; i++) {
        output |= ((key >> (56 - PC2[i])) & 1) << (47 - i);
    }
    return output;
}

3、子密钥生成

根据初始密钥生成16轮子密钥。

uint64_t rotate_left(uint64_t value, int shift, int size) {

    return ((value << shift) | (value >> (size - shift))) & ((1ULL << size) - 1);
}
void generate_subkeys(uint64_t key, uint64_t subkeys[16]) {
    static int shifts[16] = {1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1};
    uint64_t permuted_key = permuted_choice_1(key);
    uint32_t c = (permuted_key >> 28) & 0xFFFFFFF;
    uint32_t d = permuted_key & 0xFFFFFFF;
    for (int i = 0; i < 16; i++) {
        c = rotate_left(c, shifts[i], 28);
        d = rotate_left(d, shifts[i], 28);
        uint64_t combined = ((uint64_t)c << 28) | d;
        subkeys[i] = permuted_choice_2(combined);
    }
}

五、加密与解密

1、加密函数

将上述模块组合成一个完整的加密函数。

uint64_t des_encrypt(uint64_t plaintext, uint64_t key) {

    uint64_t subkeys[16];
    generate_subkeys(key, subkeys);
    uint64_t permuted_input = initial_permutation(plaintext);
    uint32_t left = (permuted_input >> 32) & 0xFFFFFFFF;
    uint32_t right = permuted_input & 0xFFFFFFFF;
    for (int i = 0; i < 16; i++) {
        uint32_t temp = right;
        right = left ^ feistel(right, subkeys[i]);
        left = temp;
    }
    uint64_t pre_output = ((uint64_t)right << 32) | left;
    return inverse_permutation(pre_output);
}

2、解密函数

解密函数与加密函数类似，只是子密钥的顺序相反。

uint64_t des_decrypt(uint64_t ciphertext, uint64_t key) {

    uint64_t subkeys[16];
    generate_subkeys(key, subkeys);
    uint64_t permuted_input = initial_permutation(ciphertext);
    uint32_t left = (permuted_input >> 32) & 0xFFFFFFFF;
    uint32_t right = permuted_input & 0xFFFFFFFF;
    for (int i = 15; i >= 0; i--) {
        uint32_t temp = right;
        right = left ^ feistel(right, subkeys[i]);
        left = temp;
    }
    uint64_t pre_output = ((uint64_t)right << 32) | left;
    return inverse_permutation(pre_output);
}

六、测试与验证

1、测试代码

编写测试代码验证加密和解密的正确性。

int main() {

    uint64_t plaintext = 0x0123456789ABCDEF;
    uint64_t key = 0x133457799BBCDFF1;
    uint64_t ciphertext = des_encrypt(plaintext, key);
    printf("Ciphertext: %016llXn", ciphertext);
    uint64_t decrypted_text = des_decrypt(ciphertext, key);
    printf("Decrypted text: %016llXn", decrypted_text);
    return 0;
}

2、验证结果

运行上述测试代码，验证加密和解密的结果是否正确。如果解密后的明文与原始明文一致，则实现是正确的。

七、总结

通过上述步骤，我们成功地用C语言实现了DES算法。实现DES算法的关键在于：理解DES算法的工作原理、掌握C语言的基础知识、实现各个模块并进行整合。 具体实现包括初始置换、Feistel函数、密钥调度和加密解密函数等部分。希望这篇文章能够帮助你更好地理解和实现DES算法。

相关问答FAQs：

1. 什么是DES算法？
DES算法是数据加密标准（Data Encryption Standard）的缩写，它是一种对称加密算法，用于保护数据的机密性。它使用相同的密钥对数据进行加密和解密。

2. 如何在C语言中实现DES算法？
要在C语言中实现DES算法，您可以使用OpenSSL库或自行编写算法。如果选择自行编写算法，您需要了解DES算法的基本原理和步骤，并使用C语言编写相应的函数来实现算法中的每个步骤，如初始置换、轮函数、密钥生成等。

3. 如何使用C语言编写DES算法的密钥生成函数？
在C语言中，您可以使用位操作和逻辑运算来编写DES算法的密钥生成函数。该函数根据初始密钥生成16个子密钥，以供加密和解密过程中使用。您需要将初始密钥进行置换和分割，然后使用循环和位移运算生成每个子密钥。

请注意，为了实现高效的DES算法，您可能还需要考虑性能优化和安全性方面的问题，例如使用优化的数据结构和算法，以及保护密钥的安全性。