網路安全學習之C語言版DES加密解密演算法的程式設計與實現

阿新 • • 發佈：2019-01-21

其實明白了DES演算法的流程程式設計實現是不難的，當然可能會在S盒實現那碰到點問題。下面的DES演算法包括加密和解密兩個功能，主要有生成16個子金鑰和DES演算法的主程式組成。輸出的資訊有16輪子金鑰以及每輪的中間值以及最後的結果。具體的程式碼中都有註釋，就看程式碼吧。關於DES演算法的流程，感興趣的自行百度吧。

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#define MAXN 100010

char 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};

char IP_N[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};

char PC_1[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};

char PC_2[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};

char 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};

char 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};

char 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,
	13,8,10,1,3,15,4,2,11,6,7,12,10,5,14,9,

	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};

/*
置換函式

函式引數：a為原陣列，tab為置換表，rlt為結果陣列，n為置換的長度
函式功能：將a陣列根據tab表換表進行n位置換，並將結果存到rlt陣列。
        因為在某些地方原陣列a還會用到，所以沒有直接覆蓋原陣列
*/
void permutation(char *a,char *tab,char *rlt,int n)
{
	for(int i=0;i<n;i++) rlt[i]=a[tab[i]-1];
}

/*
迴圈左移函式

函式引數：a為原陣列，rlt為結果陣列，n為a陣列長度，k為迴圈左移的位數
函式功能：將長度為n的a陣列迴圈左移k位並存到rlt陣列
*/
void xunhuanzuoyi(char *a,char *rlt,int n,int k)
{
	for(int i=0;i<n;i++) rlt[i]=a[(i+k)%n];
	for(int i=0;i<n;i++) a[i]=rlt[i];
}

/*
十進位制轉二進位制函式

函式引數：c為十進位制數，rlt為結果陣列
函式功能：將十進位制c轉換成二進位制並存到rlt陣列，借鑑了位元組轉位元函式
*/
void DToB(char c,char *rlt)
{ //位元組轉位元
	for(int i=0;i<4;i++)
	{
		char m=1;
		*(rlt+3-i)=(c&(m<<i))>>i;
	}
}

/*
求16個子金鑰函式

函式引數：key為DES的64位金鑰陣列，sub_key為子金鑰陣列
函式功能：由金鑰key生成16輪加密所用的子金鑰
*/
void get_key(char *key,char sub_key[][48])
{
	int i,j;
	char c[17][28],d[17][28],tmp[56];
	permutation(key,PC_1,tmp,56); //將金鑰用置換1置換
	for(i=0;i<56;i++)
	{ //初始化 c[0],d[0]
		if(i<28) c[0][i]=tmp[i];
		else d[0][i-28]=tmp[i];
	}
	for(i=1;i<=16;i++)
	{ //生成每輪子金鑰
        //如果為第1、2、9、16輪，則c迴圈左移1位
		if(i==1||i==2||i==9||i==16) xunhuanzuoyi(c[i-1],c[i],28,1);
		//如果是其他輪次，則c迴圈左移2位
		else xunhuanzuoyi(c[i-1],c[i],28,2);
		//如果為第1、2、9、16輪，則d迴圈左移1位
		if(i==1||i==2||i==9||i==16) xunhuanzuoyi(d[i-1],d[i],28,1);
		//如果是其他輪次，則d迴圈左移2位
		else xunhuanzuoyi(d[i-1],d[i],28,2);
		for(j=0;j<56;j++)
		{ //將c、d兩部分拼成tmp
			if(j<28) tmp[j]=c[i][j];
			else tmp[j]=d[i][j-28];
		}
		permutation(tmp,PC_2,sub_key[i-1],48); //用置換2得到子金鑰
	}

	//列印16輪子金鑰
	printf("16個子金鑰為：\n");
	for(i=0;i<16;i++)
	{
	    printf("K%d=",i);
		for(j=0;j<48;j++) printf("%d",sub_key[i][j]);
		printf("\n");
	}
	printf("\n\n");
}

/*
DES演算法主函式

函式引數：msg為明文；key為金鑰；rlt為加密後密文；type為1代表加密，為0表示解密
函式功能：實現DES演算法的16輪加密
*/
void DES(char *msg,char *key,char *rlt,int type)
{ //引數：原文，金鑰，密文，加密(1)或解密(0)
	int i,j,k;
	char l[17][32],r[17][32],tmp[64],sub_key[16][48];
	get_key(key,sub_key); //獲取子金鑰
	permutation(msg,IP,tmp,64); //將明文進行IP置換
	printf("IP置換: ");
	for(i=0;i<64;i++) printf("%d",tmp[i]);
	printf("\n\n\n");
	for(i=0;i<64;i++)
	{ //初始化 l[0],r[0]
		if(i<32) l[0][i]=tmp[i];
		else r[0][i-32]=tmp[i];
	}
	for(i=1;i<=16;i++)
	{ //進行16輪運算
	    /*
	    
	    */
		for(j=0;j<32;j++) l[i][j]=r[i-1][j]; //獲得 l[i]
		permutation(r[i-1],E,tmp,48); //用置換表E對r進行置換
		printf("E(R%d)=",i-1);
	    for(j=0;j<48;j++) printf("%d",tmp[j]);
	    printf("\n");
	    printf("E(R%d)^K%d=",i-1,i);
        for(j=0;j<48;j++) printf("%d",tmp[j]^sub_key[i-1][j]);
	    printf("\n");
		if(type==1)
		{ //加密
			for(j=0;j<48;j++) r[i-1][j]=tmp[j]^sub_key[i-1][j];
		}
		else
		{ //解密
			for(j=0;j<48;j++) r[i-1][j]=tmp[j]^sub_key[16-i][j];
		}
		int tol=0; //tol表示在r陣列中的位置
		//利用S盒將48位資料轉化為32位
		for(j=0;j<48;j+=6)
		{ //將48位分為8組，每組6位
			char x,y,c,b[6];
			for(k=0;k<6;k++) b[k]=r[i-1][j+k];
			x=b[0]*2+b[5]; //b[0]b[5]作行號，存在x中
			y=b[1]*8+b[2]*4+b[3]*2+b[4]; //b[1]b[2]b[3]b[4]作列號存在y中
			c=S_box[j/6][x][y]; //根據第j/6組的第x行第y列查s盒
			DToB(c,r[i-1]+tol); //將十進位制c轉換成4位二進位制存到r陣列中
			tol+=4; //因為存入了4位二進位制數，tol指向r陣列的位置+4
		}
		printf("第%d輪S盒輸出=",i);
		for(j=0;j<32;j++) printf("%d",r[i-1][j]);
		printf("\n");
		permutation(r[i-1],P,tmp,32); //P置換
		printf("f(R%d,K%d)=",i-1,i);
		for(j=0;j<32;j++) printf("%d",tmp[j]);
		printf("\n");
		for(j=0;j<32;j++) r[i][j]=l[i-1][j]^tmp[j]; //兩者按位異或得到r[i]
		printf("R%d=",i);
		for(j=0;j<32;j++) printf("%d",r[i][j]);
		printf("\n\n");
	}
	for(i=0;i<64;i++)
	{ //將l和r兩個拼在一起存到tmp陣列中
		if(i<32) tmp[i]=r[16][i];
		else tmp[i]=l[16][i-32];
	}
	permutation(tmp,IP_N,rlt,64); //經IP逆置換得到最終的密文
}

int main()
{
	char rlt[MAXN]; //rlt儲存加密或解密後的結果
	//msg1為要加密的明文，msg2為要解密的密文
	char msg1[MAXN]={0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,1,0,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,1,0,1,1,0,0,1,1,1,1,0,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,1,1,1,1,0,0,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,1,1};
	char msg2[MAXN]={1,0,0,0,0,1,0,1,1,1,1,0,1,0,0,0,0,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,1,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,0,0,0,0,1,0,1,0,1,0,1,1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,1};
	//64位金鑰
	char key[64]={0,0,0,1,0,0,1,1,  0,0,1,1,0,1,0,0,  0,1,0,1,0,1,1,1,  0,1,1,1,1,0,0,1,  1,0,0,1,1,0,1,1,  1,0,1,1,1,1,0,0,  1,1,0,1,1,1,1,1,  1,1,1,1,0,0,0,1};
	printf("加密過程：\n\n");
	DES(msg1,key,rlt,1); //加密
	printf("\n加密後的密文為：\n");
	for(int i=0;i<64;i++) printf("%d",rlt[i]);
	printf("\n\n\n\n");
	printf("解密過程：\n\n");
	DES(msg2,key,rlt,0); //解密
	printf("\n解密後的明文為：\n");
	for(int i=0;i<64;i++) printf("%d",rlt[i]);
	printf("\n\n");
	return 0;
}

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