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对称密码——DES加密算法

时间：2019-11-05 11:35:44 来源：作者：

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前言

本篇博文将介绍对称密码算法中的DES密码的算法原理与代码实现（JAVA）

DES算法原理

DES加密算法是 对称加密 算法（加密和解密使用同一个密钥）中的一种，DES也是 分组密码，以64位为分组对明文进行加密。

DES算法会对明文进行16轮的迭代加密，具体的算法过程可以看下面这图（来自文末参考博文中的图，做了一些修改）。看一遍有点绕就那笔跟着走一遍。

下面这张图是每次迭代的的一个提取，我们从中可以直接观察到的就是 迭代的两个规律 ：

Li = Ri-1
Ri = Li-1 ^ F(Ri-1, Ki)

上一轮的输出作为下一轮加密的输入（也就是迭代的过程）。同样， 子密钥也是迭代产生 。

在总体概览了一遍后，我们可以将DES算法分为3部分来讲解。从第一张图从右往左，轮子密钥（子密钥）的生成、F函数的实现以及16次迭代的过程。

子密钥的产生

如图上的流程图所示，将所给的初始64位密钥（若是密钥不足64位则前面加0补充至64位），经过PC-1置换压缩成56位。然后 分成左右28位 ，表示成C0， D0。C0和D0按照循环左移表来分别循环左移，此处是第一次循环，所以循环左移1次，生成C1和D1。然后C1和D1合并成56位密钥 经过PC-2置换压缩成48位 的K1。

K2的生成过程：C1和D1分别循环左移1次，然后合并经过PC-2置换压缩成K2。Ki的生成就为Ci-1和Di-1分别循环左移，然后合并经过PC-2置换压缩而成。

PC-1 置换表 PC-2置换表循环左移表

//PC-1置换表
private int[] PC1={
 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};
//PC-2置换表 
private int[] PC2={
 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};
//循环左移次数表
private int[] leftTable = {1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1};

F函数的原理

F函数的内部还是比较复杂，不过问题不大。我们按照F函数内部执行顺序来可以分为以下几步：

Ri-1做一个E扩展，从 32位扩展成48位
Ri-1与Ki异或运算，然后将异或运算的结果 经过S盒选择压缩成32位
从S盒出来的32位结果再经过P置换，就得到最终的32位Ri

Ri-1做扩散选择的表如下：

//E扩展
private int[] ETable={
 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};

从S盒出来的32位结果经过的P表如下：

//P置换
private int[] P={
 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};

在这三步中最为机密的就是S盒的选择压缩了。S盒是如何实现选择压缩呢？我们就要知道S的结构了。

S盒的结构

我们可以看出，进入S盒后将Ri-1与Ki异或的值分成8组，每组6位，分别进入S1-S8盒，然后从每个盒中出4位，合并成32位的结果。

若是还想探究6位变成4位是如何的变换的，就需要看下面这点介绍：

我们以进入S!盒为例，假设进入的6位二进制数为101001，我们一般将第一位和最后一位（从左到右）作为行坐标，中间四位作为纵坐标找值。11即3行，0100即4列（从0开始编号），最后选出的值就为4，四位二进制表示则为0100。

16次的迭代加密

最初我们需要将初始的明文做一个IP置换，然后分成左右各32位即L0 R0，带入L0、R0去计算L1和R1。

16次迭代的规律为：

Li = Ri-1
Ri = Li-1 ^ F(Ri-1, Ki)

最后，L16与R16直接交换赋给L17和R17(L17=R16, R17=L16)，然后L17与R17合并后通过IP逆置换生成最终的密文。

以上，便是加密过程，解密可以说是加密的逆向过程。解密为何反向就可以解密，还需要各位看官另觅资料~

DES算法Java实现（完整）

package symmetricipher;
/** 
* @description: 代码实现Des算法加解密
* @author sakura 
* @date 2019年3月25日 下午12:52:21 
*/
/*
 * 1.主要的一个迭代公式 Li=Ri Ri = Li-1 ⊕F(Li-1,Ki)
 * 2.整体可以分为 加解密运算 F函数的处理 子密钥的产生
 * 3.子秘钥产生：64位经过PC-1密钥置换成56位 分为Ci Di左右各28为位 然后根据循环左移表来左移 最后经过PC-2置换成48位的密钥Ki
 * 4.F函数的处理：Li-1（32位）经过E盒扩展成48位； 48位的Li-1与 子秘钥Ki进行异或 ；
 * 异或的结果经过S盒（8个盒子 6进4出）生成32位；32位再经过P盒转换成最后32位F函数处理后的结果
 * 5.加解密运算这边：先将明文做一个IP置换，然后将64位分成左右32位L0,R0 然后开始迭代 ；到第16次，做IP逆置换生成最终的密文
 * 
 * 6.解密运算：
 * 加密反过来
 * 
 */
public class DES {
 //初始IP置换
 private int[] IP={
 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};
 //IP逆置换
 private int[] IP1={
 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};
 
 //E扩展
 private int[] ETable={
 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};
 
 //P置换
 private int[] P={
 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}; 
 //S盒
 private static final int[][][] SBox = {
 {
 { 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, 0, 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 } }
 };
 
 //PC-1置换表
 private int[] PC1={
 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};
 
 //PC-2置换表 
 private int[] PC2={
 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};
 
 //循环左移次数表
 private int[] leftTable = {1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1};
 
 //加密轮数16轮
 private static final int LOOP = 16;
 private String[] keys = new String[LOOP];
 private String[] pContent;
 private String[] cContent;
 private int originLength; //初始明文长度
 
 //16个子密钥
 private int[][] subKey = new int[16][48]; //存储16次的子密钥
 private String content;
 private int pOriginLegth; //明文初始长度？
 
 //构造函数
 public DES(String key, String content) {
 this.content = content;
 pOriginLegth = content.getBytes().length;
 generateSubKey(key);
 }
 
 //主函数入口
 public static void main(String[] args) {
 String plainText = "SakuraOne";
 System.out.println("明文： n" + plainText);
 String key = "IAMKEY";
 
 DES des = new DES(key,plainText);
 
 byte[] c = des.group(plainText.getBytes(), true);//加密
 System.out.println("密文：n" + new String(c));
 
 byte[] p = des.group(c, false); //解密
 byte[] pd = new byte[plainText.getBytes().length];
 System.arraycopy(p, 0, pd, 0, plainText.getBytes().length);
 System.out.println("解密后的明文：n" + new String(pd));
 
 }
 
 /**
 *拆分分组
 */
 public byte[] group(byte[] plainText, boolean decryption) {
 //填充明文长度为64位的整数
 originLength = plainText.length;
 int gNum;
 int rNum;
 gNum = originLength/8;
 rNum = 8-(originLength-gNum*8);
 byte[] pPadding;
 if(rNum<8) {
 pPadding = new byte[originLength+rNum];
 System.arraycopy(plainText, 0, pPadding, 0, originLength);
 for(int i=0; i<rNum; i++) {
 pPadding[originLength+1]=(byte)rNum;
 }
 }else {
 pPadding = plainText;
 }
 
 gNum = pPadding.length/8;
 
 byte[] groupPT = new byte[8]; //64位分组单位
 byte[] resultData = new byte[pPadding.length];
 
 for(int i=0; i<gNum; i++) {
 System.arraycopy(pPadding, i*8, groupPT, 0, 8);
 System.arraycopy(encryptUnit(groupPT, subKey, decryption), 0, resultData, i*8, 8);
 }
 
 //如果是解密 这里感觉什么也没有做呢？？
 if(decryption == false) {
 byte[] pResultData = new byte[pOriginLegth];
 System.arraycopy(resultData, 0, pResultData, 0, pOriginLegth);
 return pResultData;
 }
 
 return resultData; 
 }
 
 /**
 *加密一个64位分组
 *
 */
 public byte[] encryptUnit(byte[]unit, int keysArray[][], boolean decryption) {
 //得到明文的01字符串
 StringBuilder sb = new StringBuilder();
 for(int i=0; i<8; i++) {
 String tmpBit = Integer.toBinaryString(unit[i] & 0xff);
 while(tmpBit.length()%8!=0) {
 tmpBit="0"+tmpBit;
 }
 sb.Append(tmpBit);
 }
 
 //将明文01字符串转换为数字01存放在数组中
 int[] pBit = new int[64];
 String pStr = sb.toString();
 for(int i=0; i<64; i++) {
 int bit = Integer.valueOf(pStr.charAt(i));
 if(bit == 48) {
 bit = 0;
 }else if(bit == 49){
 bit = 1;
 }else {
 System.out.println("To bit error");
 }
 pBit[i] = bit;
 }
 
 /*=========IP置换==========*/
 int[] pIP = new int[64];
 for(int i=0; i<64; i++) {
 pIP[i] = pBit[IP[i]-1];
 }
 
 //加密
 if(decryption) {
 //迭代16次
 for(int i=0; i<16; i++) {
 loop(pIP, i, decryption, keysArray[i]);
 }
 }else { //解密 反向迭代
 for(int i=15; i>-1; i--) {
 loop(pIP, i, decryption, keysArray[i]);
 }
 }
 
 /*===========IP逆置换=============*/
 int[] c = new int[64];
 for(int i=0; i<IP1.length; i++) {
 c[i] = pIP[IP1[i]-1];
 }
 
 byte[] cByte = new byte[8];
 for(int i=0; i<8; i++) {
 cByte[i] = (byte)((c[8*i]<<7)+(c[8*i+1]<<6)+(c[8*i+2]<<5)+(c[8*i+3]<<4)+(c[8*i+4]<<3)+(c[8*i+5]<<2)+(c[8*i+6]<<1)+(c[8*i+7]));
 }
 return cByte; //最终的密码字节数组
 }
 
 //依次迭代过程
 public void loop(int[] median, int times, boolean decryption, int[]keyArray ) {
 int[] l0 = new int[32];
 int[] r0 = new int[32];
 int[] l1 = new int[32];
 int[] r1 = new int[32];
 int[] f = new int[32]; //调用F函数后生成的结果
 
 System.arraycopy(median, 0, l0, 0, 32);
 System.arraycopy(median, 32, r0, 0, 32);
 
 l1 = r0;
 f = fFunction(r0, keyArray); //调用F函数
 
 for(int i=0; i<32; i++) {
 r1[i] = l0[i]^f[i]; //ri = li-1 ^ f[i]
 if(((decryption==false) && (times==0)) || ((decryption==true) && (times==15))) {
 median[i] = r1[i];
 median[i+32] = l1[i];
 }else {
 median[i] = l1[i];
 median[i+32] = r1[i];
 }
 }
 }
 
 /**
 * F函数
 */
 public int[] fFunction(int[] rContent, int[] key) {
 int[] result = new int[32];
 int[] rXORkey = new int[48];
 
 //ri扩展 与 keyi异或
 for(int i=0; i<ETable.length; i++) {
 rXORkey[i] = rContent[ETable[i]-1]^key[i];
 }
 
 /*=============S-box替换 将48位变成32位==============*/
 int[][] s= new int[8][6];
 int[] sAfter = new int[32];
 
 for(int i=0; i<8; i++) {
 System.arraycopy(rXORkey, i*6, s[i], 0, 6);
 int r = (s[i][0]<<1)+s[i][5]; //横坐标
 int c = (s[i][1]<<3) + (s[i][2]<<2) + (s[i][1]<<1) + s[i][4]; //纵坐标
 String str = Integer.toBinaryString(SBox[i][r][c]);
 while(str.length() < 4) {
 str = "0"+str;
 }
 
 for(int j=0; j<4; j++) {
 int p=Integer.valueOf(str.charAt(j));
 if(p==48) {
 p=0;
 }else if(p==49) {
 p=1;
 }else {
 System.out.println("To bit error!");
 }
 sAfter[4*i+j] = p;
 } 
 }
 
 /*===============P盒替换=====================*/
 for(int i=0; i<P.length; i++) {
 result[i] = sAfter[P[i]-1];
 }
 return result;
 }
 
 
 /**
 * description:生成子密钥
 * 
 * @param key 密钥
 * 
 */
 public void generateSubKey(String key) {
 //当key的长度小于64位时要扩展至64位
 while(key.length()<8) {
 key = key + key;
 }
 key = key.substring(0, 8);
 
 //将字符密钥转换成二进制形式
 byte[] keys = key.getBytes();
 int[] kBit = new int[64];
 
 for(int i=0; i<8; i++) {
 //每个字节即每8位&0000 0000
 String kStr = Integer.toBinaryString(keys[i] & 0xff);
 //补齐8位
 if(kStr.length()<8) {
 for(int t=0; t<8-kStr.length(); t++) {
 kStr = "0" + kStr;
 }
 }
 
 //将01字符串转换成二进制01
 for(int j=0; j<8; j++) {
 int p = Integer.valueOf(kStr.charAt(j));
 if(p == 48) {
 p=0;
 }else if(p == 49) {
 p=1;
 }else {
 System.out.println("To bit error!");
 }
 kBit[i*8+j] = p;
 }
 }
 
 //得到kBit 初始化的64位密钥 然后进行PC-1压缩成56位
 
 /*==============PC-1压缩===============*/
 int[] kNewBit = new int[56];
 for(int i=0; i<PC1.length; i++) {
 kNewBit[i] = kBit[PC1[i]-1];
 }
 
 /*================初始密钥分组=============*/
 int[] c0 = new int[28];
 int[] d0 = new int[28];
 System.arraycopy(kNewBit, 0, c0, 0, 28);
 System.arraycopy(kNewBit, 28, d0, 0, 28);
 
 //生成16个子密钥
 for(int i=0; i<16; i++) {
 int[] c1 = new int[28];
 int[] d1 = new int[28];
 
 /*============ci、di分别循环左移===========*/
 if(leftTable[i] == 1) {
 System.arraycopy(c0, 1, c1, 0, 27);
 c1[27]=c0[0];
 System.arraycopy(d0, 1, d1, 0, 27);
 d1[27]=d0[0];
 }else if(leftTable[i] == 2) {
 System.arraycopy(c0, 2, c1, 0, 26);
 c1[26]=c0[0];
 c1[27]=c0[1];
 
 System.arraycopy(d0, 2, d1, 0, 26);
 d1[26]=d0[0];
 d1[27]=d0[1];
 }else {
 System.out.println("leftTable error!");
 }
 
 /*================ci、di合并 PC-2压缩置换=============*/
 int[] tmp = new int[56];
 System.arraycopy(c1, 0, tmp, 0, 28);
 System.arraycopy(d1, 0, tmp, 28, 28);
 for(int j=0; j<PC2.length; j++) {
 subKey[i][j] = tmp[PC2[j]-1];
 }
 c0 = c1;
 d0 = d1;
 }
 }
}

小结

这学期在上密码学的课程，课堂上听老师讲了对称加密算法中的DES算法，一直觉得挺绕。在上完实验课后勉强对其算法流程有了一个清晰认识。后面想着用算法实现或许会更明了，于是写代码实现。确实，自己实现一遍后对算法会更理解。粗糙地记录了下DES加解密的实现，以供参考。解密算法的验证需要大家另觅资料，本篇博文就不再介绍了~

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