DES加密算法及C語言實(shí)現(xiàn)

于偉 黎玉香

摘 要：在對(duì)稱密碼體制中，發(fā)收雙方使用相同密鑰，有著同樣的加密密鑰和解密密鑰。在眾多的加密算法中影響最大的是DES加密算法。本文詳細(xì)介紹了DES加密的過程及其C語言實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：DES；密鑰；加密；C語言

0 引言

分組密碼是目前應(yīng)用較為廣泛的一種密碼體制，而DES（Data Encryption Standard）加密算法是分組密碼的典型代表，也是第一個(gè)被公布出來的加密標(biāo)準(zhǔn)算法。它是第一個(gè)將密碼算法公開的加密標(biāo)準(zhǔn)，如果只知道算法但沒有正確的密鑰就不能單純的通過算法得到明文，其安全性得益于在破解密碼時(shí)計(jì)算上和時(shí)間上的復(fù)雜性。DES分組明文的長(zhǎng)度為64位，加密階段卻沒有依照這個(gè)長(zhǎng)度來處理，而是選擇了56位密鑰的方式來，由此生成對(duì)應(yīng)的64為密文。

1 DES加密的流程步驟

對(duì)于DES加密而言，其操作步驟可以分為兩個(gè)環(huán)節(jié)：首先，是加密階段；接著就是子密鑰產(chǎn)生的階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)于上述兩個(gè)階段的控制，可以完成加密的任務(wù)。

加密步驟如下：

（1）將明文以重新排列順序 64位分組后進(jìn)行初始置換，且分為左右兩半，各32位；

（2）兩半分別經(jīng)過16輪迭代，即進(jìn)行16次相同的變換，每輪迭代中使用置換和代換技術(shù)。16輪迭代后兩半對(duì)調(diào)；

（3）在得到對(duì)應(yīng)的兩半之后，需要進(jìn)行逆初始置換，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)64為密文的生成，這就是第三步驟。

子密鑰的產(chǎn)生則由56位密鑰，產(chǎn)生16個(gè)48位子密鑰，分別供左半邊的16輪迭代加密使用。

1.1 初始置換

對(duì)于分組加密，初始置換是第一步，通過一個(gè)初始置換函數(shù)DES_IP_Transform（）后將64位明文分成兩部分：左半部分L0和右半部分R0各32位。

1.2 新一輪數(shù)據(jù)的生成

左右兩半再經(jīng)過16輪迭代，在每輪迭代中，使用函數(shù) memcpy（）將上一輪的右邊Ri-1直接變換為本輪的左邊Li，將上一輪的右邊Ri–1通過擴(kuò)展置換函數(shù)DES_E_Transform（），由32位擴(kuò)展到48位，再與48位子密鑰經(jīng)函數(shù)DES_XOR（）進(jìn)行異或運(yùn)算后，通過S盒函數(shù)DES_SBOX（）壓縮成32位，經(jīng)置換函數(shù)DES_P_Transform（）得到32位的加密函數(shù)F，F(xiàn)與Li–1異或后作為本輪的右邊Ri。

16輪迭代后，使用函數(shù)DES_Swap（）將左右兩半交換，再經(jīng)逆初始置換函數(shù)DES_IP_1_Transform（）得到64位密文。

1.3 S盒

在加密函數(shù)計(jì)算過程中使用了8個(gè)S盒，48位數(shù)據(jù)經(jīng)過8個(gè)S盒后輸出32位數(shù)據(jù)，每個(gè)S盒都由4行、16列組成，定義成一個(gè)三維數(shù)組 S[8][4][16]。對(duì)于每個(gè)S盒，輸入6位，輸出4位。對(duì)于上述輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，明確最高位和最低位，以兩者為基礎(chǔ)形成對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)，由此去選擇S盒4行中的行。剩下還有4位數(shù)字，可以選擇S盒16列中的行。在上述行列選擇之后會(huì)看到行列存在交叉的部分，這就是此處要輸出的數(shù)據(jù)，最后將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4位二進(jìn)制數(shù)。這樣，48位數(shù)據(jù)經(jīng)過8個(gè)S盒后得到了32位。

2 子密鑰產(chǎn)生

首先將56位密鑰經(jīng)過置換選擇1，這里使用函數(shù)DES_PC1_Transform（）將其位置重新排列。并排列后的前28位用C0表示，后28位用D0表示，如圖1。

接下來要產(chǎn)生16個(gè)48位的子密鑰也需要經(jīng)過16輪迭代。在實(shí)際迭代的過程中，原本28位的 Ci-1和Di-1因?yàn)楹瘮?shù)循環(huán)作用，使得其出現(xiàn)位移的情況，一般表現(xiàn)為向左移動(dòng)一位或者兩位，左移位數(shù)由數(shù)組int MOVE_TIMES[16] = {1，1，2，2，2，2，2，2，1，2，2，2，2，2，2，1}定義。通過移位我們可以獲取Ci和Di，接著就需要將這兩者實(shí)現(xiàn)合并，此時(shí)就可以得到對(duì)應(yīng)56位，接著以置換的方式將其原來的次序打亂，具體過程可以參見圖2，由函數(shù)DES_PC2_Transform（）實(shí)現(xiàn)，從56位中挑出48位作為該輪的子密鑰。

3 DES解密

DES解密過程和加密過程本質(zhì)一致，有著相同的步驟和算法，另外DES加密算法屬于對(duì)稱加密技術(shù)，因此解密和加密使用相同的密鑰。不同之處在于：其一，解密時(shí)是將64位密文作為算法的輸入，其二，子密鑰在使用時(shí)是加密過程的逆序，K16是解密過程中第1輪的子密鑰，K15是第2輪的子密鑰，K1是最后一輪的子密鑰。

4 結(jié)束語

信息的加密和解密是數(shù)據(jù)傳輸中保證信息安全性和完整性的常用方法，而DES加密標(biāo)準(zhǔn)綜合使用了多種置換和代換技術(shù)，具有較高的安全性，在國際上被用來作為商用保密通信和計(jì)算機(jī)通信的有效算法。該加密標(biāo)準(zhǔn)的安全性不依賴于算法本身，而取決于密鑰，是一種高效、經(jīng)濟(jì)的算法。

參考文獻(xiàn)

[1]郭亞軍，宋建華，李莉，等.信息安全原理與技術(shù)（第2版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[2]張潔，朱麗娟.DES加密算法分析與實(shí)現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2007，（3）：95-97.

[3]王昭，袁春.信息安全原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010