《现代密码学基础》又在讲解经典DES算法了，我打算用 C++ 写了一个。本文介绍了 DES 算法加密的大致步骤和整体流程。

一、DES 算法介绍

1.介绍

DES 算法为密码体制中的对称密码体制，⼜被称为美国数据加密标准。DES 是⼀个分组加密算法，典型的DES以64位为分组对数据加密，加密和解密⽤的是同⼀个算法。

DES 使用 56 位的密钥和 64 位的明文块进行加密。DES 算法的分组大小是 64 位，因此，如果需要加密的明文长度不足 64 位，需要进行填充；如果明文长度超过 64 位，则需要使用分组模式进行分组加密。

2.流程

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  • 1.初始置换（IP 置换）：将输入的 64 位明文块进行置换和重新排列，生成新的 64 位数据块。

  • 2.加密轮次：DES 加密算法共有 16 个轮次，每个轮次都包括四个步骤：

    • 2.1. 将 64 位数据块分为左右两个 32 位块。

    • 2.2. 右侧 32 位块作为输入，经过扩展、异或、置换等操作生成一个 48 位的数据块。这个 48 位的数据块被称为“轮密钥”，它是根据加密算法的主密钥生成的子密钥。

    • 2.3. 将左侧 32 位块和轮密钥进行异或运算，结果作为新的右侧 32 位块。

    • 2.4. 将右侧 32 位块与原来的左侧 32 位块进行连接，生成一个新的 64 位数据块，作为下一轮的输入。

  • 3.末置换（FP 置换）：在最后一个轮次完成后，将经过加密的数据块进行置换和重新排列，得到加密后的 64 位密文。

  • 4.逆置换：在经过 16 轮次计算后，DES 会对最后的结果进行最后一次置换。即为最后的输出结果

总的来说，DES 加密的过程就是通过一系列置换、异或、扩展等运算，将明文分成若干个小块，然后根据主密钥生成一系列的轮密钥，利用轮密钥对每个小块进行加密，最终将加密结果重新组合成一个整体，得到密文。

二、DES 算法详解

注意这里的 DES 用的许多函数都是固定的，公开的函数(因此并没有密码含义)，即已知条件，没有密码含义，下面会加粗提心！！！

1.初始置换(Initial Permutation，IP 置换)

IP 置换是将输入的 64 位明文块进行置换和重新排列，生成新的 64 位数据块。

目的:增加加密的混乱程度，使明文中的每一位都能够对后面的加密过程产生影响，提高加密强度。

我们将把 64 位的顺序按下表中规定的顺序放置，图中的数字是在 64 位明文中每个比特的索引位置。注意，在 DES 中，这个置放规则是固定的。

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// 初始置换
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 };

即将原来位于第 58 个位置的数据放在第 1 个位置，原来位于第 50 个位置的元素放在第 2 个位置，第 42 个放在第 3 个，34->4 以此类推…

初始置换的逆置换（Final Permutation，FP 置换）是将加密后的数据块进行置换和重新排列，得到最终的加密结果，与初始置换相对应。

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// 逆置换表
int IP_1[] = {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};

2.加密轮次

初始置换完成后，明文被划分成了相同长度（32 位）的左右两部分，记作 L0,R0。接下来就会进行 16 个轮次的加密了。
我们从单独一个轮次来看。首先把目光聚焦在 R0 这里。
4-C.png

右半部分 R0 会作为下一轮次的左半部分 L1 的输入。以此类推，重复 16 轮运算。所以，上面描述的过程可以用以下公式表述。

因为 R0 只有 32 位，R0 会补位到 48 位和本轮次生成的 48 位 K0(马上讲 K0 的生成)输入到 F 轮函数中去。F 函数的输出结果为 32 位，结果 F(R0,K0)会和 L0 进行异或运算作为下一轮次右半部分 R1 的输入。

$$
R_i = F_i(R_{i-1}) ⊕ L_{i-1}
$$

$$
L_i = R_{i-1}
$$

3.f 函数详细过程(R0)

3.png

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（ki)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 Si 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 Si 表的列数（0~15）；查出 Si 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。

3.1 拓展 R 到 48 位

将 32 位的 R0 右半部分进行扩展，得到一个 48 位的数据块。同样的，数据拓展也是根据一个固定的置换表。红框中就是我们要补位的数据。
15.png
由此可见，扩展过程的每一位都是根据上述的置换表从输入的 32 位数据块中提取出来的。原始数据的第 32 位被补充到了新增列的第一个，第 5 位被补充到了第二个新增列的第一个，以此类推…

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// 扩展置换表，将 32位 扩展至 48位
int E[] = {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};

3.2 子密钥 K 的生成

DES 算法采用了每轮子密钥生成的方式来增加密钥的复杂性和安全性。每轮子密钥都是由主密钥（64 位）通过密钥调度算法（Key Schedule Algorithm）生成的。DES 算法的密钥调度算法可以将 64 位的主密钥分成 16 个子密钥，每个子密钥 48 位，用于每轮加密中与输入数据进行异或运算。
通过子密钥生成的流程图来看下整个过程。
2.png

  • 1、将 64 位主密钥经过置换选择 1（Permuted Choice 1 简写为 PC-1）后输出了 56 位，将其分为左右两个 28 位的数据块，分别记为 C0 和 D0。同上面我们讲过的置换规则一样，PC-1 置换函数也是一个固定的置换表，即下图左上角
    5.jpg
    从 PC-1 的置换表中可以看到，舍弃掉的 8 位数据是原始数据中每 8 位数据的最后一位，也就是我们所熟知的奇偶检验位。这 8 位被丢弃是因为它们对于密钥的安全性没有贡献，而且能够使 DES 算法的计算速度更快。
  • 2、对 C0 和 D0 进行循环左移操作。循环左移完成后生成 C1 和 D1。因此，在 16 个轮次的计算当中会得到 16 个 32 位的数据块 C1-C16 和 D1-D16。在 DES 中循环左移也有固定的规则。

对于 Ci 和 Di，若 i 为 1，2，9 或 16，则循环左移一位，否则循环左移两位。

  • 3、 对于 C1，D1，将它们经过置换选择 2(Permuted Choice 2 简写位 PC-2）后，得到 48 位的子密钥 K1，用于每轮加密中与输入数据进行异或运算。PC-2 置换的输入是由 PC-1 置换生成的 56 位的密钥，而它的输出是 48 位的子密钥。PC-2 置换将 56 位的密钥重新排列，丢弃了 8 位并选取了其中的 48 位作为子密钥。PC-2 的置换规则如下：
    5.png
    即 PC-2 置换表的第一行表示选择了输入密钥中的第 14、17、11、24、1 和 5 位，并将它们作为输出子密钥的前 6 位。以此类推

  • 4、至此，经过 PC-2 后的结果就是我们当前轮次的子密钥 K1 了。在整个 DES 加密过程中会生成 16 个 48 位子密钥 K1-K16，分别用于 DES 算法中的 16 轮加密过程，从而保证每轮加密所使用的密钥都是不同的，增加了破解的难度。

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// 密钥置换表，将64位密钥变成56位
int PC_1[] = {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};

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

// 每轮左移的位数
int shiftBits[] = {1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1};

3.3 当前轮次的子密钥与拓展的 48 位 R 进行异或运算

当前轮次的子密钥 Ki 与拓展的 48 位 Ri 进行异或运算。运算结果会作为接下来 S 盒替换的输入

3.4 S 盒替换（Substitution Box substitution）

S 盒替换（Substitution Box substitution）是一种在密码学中广泛使用的加密技术。它是将明文中的一组比特映射到密文中的一组比特的过程，用于增强密码的安全性。DES 中 S 盒替换用于将上一轮异或运算的 48 位结果映射到 32 位输出中去。

同样的，S 盒也是一种置换表。在 DES 的每一轮计算中 S 盒都是不一样的。这里我以第一轮计算中的 S 盒为例。从上图中我们看到，S 盒内部有 8 个 S 块，记作 S1-S8。每个 S 块都会接收 6 位字符作为输入并输出四位字符。这里我们以第一个 S 盒 S1 为例。他是一个 4*16 的置换表。
6.png
例如输入101010到S1中。S1会将这六位的第一位和第六位拿出来10作为S1的行，中间四位0101拿出来作为S1的列。我们转换成十进制，此时映射到这个 S 盒的位置就是(2,5)对应 S 盒的第3行第6列（索引都从0开始数）。
所以这个输入的结果是 6，将 6 转化为二进制 110，S 盒的输出是 4 位，所以得S(101010)=0110

因此，可以看到 S 盒其实是一种非线性的加密技术，它能够抵御许多传统的密码分析攻击，如差分攻击和线性攻击。

3.5 P 盒替换

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P 盒替换将 S 盒替换的 32 位输出作为输入，经过上述固定的替换表进行替换后即为最后 F 轮函数的结果。

该结果 F(R0,K0)与 L0 进行异或运算得到下一轮的右半部分 R1

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// S盒，每个S盒是4x16的置换表，6位 -> 4位
int 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},
		{13,8,10,1,3,15,4,2,11,6,7,12,0,5,14,9}
	},
	{
		{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}
	}
};

// P置换，32位 -> 32位
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 };

4 逆置换（Inverse Permutation）

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：

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// 尾置换表
int IP_1[] = {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};

三、C++代码实现

1、加密

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#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <fstream>
#include <bitset>
#include <string>

using namespace std;

bitset<64> key;                // 64位密钥
bitset<48> subKey[16];         // 存放16轮子密钥

// 初始置换表
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};

// 结尾置换表
int IP_1[] = {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};

/*------------------下面是生成密钥所用表-----------------*/

// 密钥置换表，将64位密钥变成56位
int PC_1[] = {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};

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

// 每轮左移的位数
int shiftBits[] = {1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1};

/*------------------下面是密码函数 f 所用表-----------------*/

// 扩展置换表，将 32位 扩展至 48位
int E[] = {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};

// S盒，每个S盒是4x16的置换表，6位 -> 4位
int 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},
		{13,8,10,1,3,15,4,2,11,6,7,12,0,5,14,9}
	},
	{
		{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}
	}
};

// P置换，32位 -> 32位
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 };

/**********************************************************************/
/*                                                                    */
/*                            下面是DES算法实现                         */
/*                                                                    */
/**********************************************************************/

/**
 *  密码函数f，接收32位数据和48位子密钥，产生一个32位的输出
 */
bitset<32> f(bitset<32> R, bitset<48> k)
{
	bitset<48> expandR;
	// 第一步：扩展置换，32 -> 48
	for(int i=0; i<48; ++i)
		expandR[47-i] = R[32-E[i]];
	// 第二步：异或
	expandR = expandR ^ k;
	// 第三步：查找S_BOX置换表
	bitset<32> output;
	int x = 0;
	for(int i=0; i<48; i=i+6)
	{
		int row = expandR[47-i]*2 + expandR[47-i-5];
		int col = expandR[47-i-1]*8 + expandR[47-i-2]*4 + expandR[47-i-3]*2 + expandR[47-i-4];
		int num = S_BOX[i/6][row][col];
		bitset<4> binary(num);
		output[31-x] = binary[3];
		output[31-x-1] = binary[2];
		output[31-x-2] = binary[1];
		output[31-x-3] = binary[0];
		x += 4;
	}
	// 第四步：P-置换，32 -> 32
	bitset<32> tmp = output;
	for(int i=0; i<32; ++i)
		output[31-i] = tmp[32-P[i]];
	return output;
}

/**
 *  对56位密钥的前后部分进行左移
 */
bitset<28> leftShift(bitset<28> k, int shift)
{
	bitset<28> tmp = k;
	for(int i=27; i>=0; --i)
	{
		if(i-shift<0)
			k[i] = tmp[i-shift+28];
		else
			k[i] = tmp[i-shift];
	}
	return k;
}

/**
 *  生成16个48位的子密钥
 */
void generateKeys()
{
	bitset<56> realKey; // 密钥key(64) ->  密钥realKey(56) -> 最终每一轮的密钥compressKey(48)
	bitset<28> left;
	bitset<28> right;
	bitset<48> compressKey;
	// 去掉奇偶标记位，将64位密钥变成56位
	for (int i=0; i<56; ++i)
		realKey[55-i] = key[64 - PC_1[i]];
	// 生成子密钥，保存在 subKeys[16] 中
	for(int round=0; round<16; ++round)
	{
		// 前28位与后28位
		for(int i=28; i<56; ++i)
			left[i-28] = realKey[i];
		for(int i=0; i<28; ++i)
			right[i] = realKey[i];
		// 左移
		left = leftShift(left, shiftBits[round]);
		right = leftShift(right, shiftBits[round]);
		// 压缩置换，由56位得到48位子密钥
		for(int i=28; i<56; ++i)
			realKey[i] = left[i-28];
		for(int i=0; i<28; ++i)
			realKey[i] = right[i];
		for(int i=0; i<48; ++i)
			compressKey[47-i] = realKey[56 - PC_2[i]];
		subKey[round] = compressKey;
	}
}

/**
 *  工具函数：将char字符数组转为二进制
 */
bitset<64> charToBitset(const char s[8]) // 比如说明文或者密文都需要转成二进制
{
	bitset<64> bits;
	for(int i=0; i<8; ++i)
		for(int j=0; j<8; ++j)
			bits[i*8+j] = ((s[i]>>j) & 1);
	return bits;
}

/**
 *  DES加密
 */
bitset<64> encrypt(bitset<64>& plain)
{
	bitset<64> cipher;
	bitset<64> currentBits;
	bitset<32> left;
	bitset<32> right;
	bitset<32> newLeft;
	// 第一步：初始置换IP
	for(int i=0; i<64; ++i)
		currentBits[63-i] = plain[64-IP[i]];
	// 第二步：获取 Li 和 Ri
	for(int i=32; i<64; ++i)
		left[i-32] = currentBits[i];
	for(int i=0; i<32; ++i)
		right[i] = currentBits[i];
	// 第三步：共16轮迭代
	for(int round=0; round<16; ++round)
	{
		newLeft = right;
		right = left ^ f(right,subKey[round]);
		left = newLeft;
	}
	// 第四步：合并L16和R16，注意合并为 R16L16
	for(int i=0; i<32; ++i)
		cipher[i] = left[i];
	for(int i=32; i<64; ++i)
		cipher[i] = right[i-32];
	// 第五步：结尾置换IP-1
	currentBits = cipher;
	for(int i=0; i<64; ++i)
		cipher[63-i] = currentBits[64-IP_1[i]];
	// 返回密文
	return cipher;
}

/**
 *  DES解密
 */
bitset<64> decrypt(bitset<64>& cipher)
{
	bitset<64> plain; // 解密后的明文
	bitset<64> currentBits;
	bitset<32> left;
	bitset<32> right;
	bitset<32> newLeft;
	// 第一步：初始置换IP
	for(int i=0; i<64; ++i)
		currentBits[63-i] = cipher[64-IP[i]];
	// 第二步：获取 Li 和 Ri
	for(int i=32; i<64; ++i)
		left[i-32] = currentBits[i];
	for(int i=0; i<32; ++i)
		right[i] = currentBits[i];
	// 第三步：共16轮迭代（子密钥逆序应用）
	for(int round=0; round<16; ++round)
	{
		newLeft = right;
		right = left ^ f(right,subKey[15-round]);
		left = newLeft;
	}
	// 第四步：合并L16和R16，注意合并为 R16L16
	for(int i=0; i<32; ++i)
		plain[i] = left[i];
	for(int i=32; i<64; ++i)
		plain[i] = right[i-32];
	// 第五步：结尾置换IP-1
	currentBits = plain;
	for(int i=0; i<64; ++i)
		plain[63-i] = currentBits[64-IP_1[i]];
	// 返回明文
	return plain;
}


/**********************************************************************/
/* 测试：                                                             */
/*     1.将一个 64 位的字符串加密， 把密文写入文件 a.txt                  */
/*     2.读取文件 a.txt 获得 64 位密文，解密之后再写入 b.txt              */
/**********************************************************************/

int main() {
	string s = "romantic";
	string k = "12345678";
	bitset<64> plain = charToBitset(s.c_str());
	key = charToBitset(k.c_str());
	// 生成16个子密钥
	generateKeys();
	// 密文写入 a.txt
	bitset<64> cipher = encrypt(plain);
	fstream file1;
	file1.open("D://a.txt", ios::binary | ios::out);
	file1.write((char*)&cipher,sizeof(cipher));
	file1.close();

	// 读文件 a.txt
	bitset<64> temp;
	file1.open("D://a.txt", ios::binary | ios::in);
	file1.read((char*)&temp, sizeof(temp));
	file1.close();

	// 解密，并写入文件 b.txt
	bitset<64> temp_plain = decrypt(temp);
	file1.open("D://b.txt", ios::binary | ios::out);
	file1.write((char*)&temp_plain,sizeof(temp_plain));
	file1.close();

	return 0;
}

2.解密

那么，在对 64 位的数据加解密成功以后，对文件的加解密就很简单了！只需要每次读 64 位，加密以后，将 64 位的密文写入另外一个文件……如此循环，直到文件尾。下面是对一张图片进行加密和解密的测试代码：

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int main() {
	string k = "12345678";
	key = charToBitset(k.c_str());
	generateKeys();   // 生成16个子密钥

	// 将文件 flower.jpg 加密到 cipher.txt 中
	ifstream in;
	ofstream out;
	in.open("D://flower.jpg", ios::binary);
	out.open("D://cipher.txt", ios::binary);
	bitset<64> plain;
	while(in.read((char*)&plain, sizeof(plain)))
	{
		bitset<64> cipher  = encrypt(plain);
		out.write((char*)&cipher, sizeof(cipher));
		plain.reset();  // 置0
	}
	in.close();
	out.close();

	// 解密 cipher.txt，并写入图片 flower1.jpg
	in.open("D://cipher.txt", ios::binary);
	out.open("D://flower1.jpg", ios::binary);
	while(in.read((char*)&plain, sizeof(plain)))
	{
		bitset<64> temp  = decrypt(plain);
		out.write((char*)&temp, sizeof(temp));
		plain.reset();  // 置0
	}
	in.close();
	out.close();

	return 0;
}

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#pragma once
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<string>
#include<algorithm>
using namespace std;

//进行标记选择
int flag;
string k[16]; //16轮密钥存储
//PC1选位表
int pc1Table[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
};
//左移位数表
int loopTable[16] =
{
    1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1
};
//PC2选位表
int pc2Table[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
};
//置换IP表
int ipTable[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
};
//E扩展置换表
int extendTable[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
};
//S盒
int sBox[8][4][16] =
{
    //S1
    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,
    //S2
    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,
    //S3
    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,
    //S4
    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,
    //S5
    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,
    //S6
    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,
    //S7
    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,
    //S8
    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
};
//P换位表
int pTable[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
};
//逆置换IP^-1表
int ipReverseTable[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
};
//将输入的东西全部看成字符
//字符转二进制
string charToBinary(char c)
{
    int i, b = c, k = 0, flag = 0;
    string result;
    //负数就是中文字符
    if (b < 0)
    {
        b = -b;
        flag = 1;
    }
    //英文字符转换成ASCII的倒序，所以后面需要进行逆序
    while (k < 8) //这里的8表示char是1个字节=8bit
    {
        if (b) //这里将ASCII里的字符转换为二进制
        {
            result += ((b % 2) + '0');  // 其中这里+'0',表示将数字转换为字符
            b /= 2;
        }
        else result += '0';
        k++;
    }
    //汉字字符处理
    if (flag)//判断是否为汉字
    {
        for (i = 0; i < result.length(); i++)   //此时因为是负数，源码、反码、补码不相等，需要置换
        {
            if (result[i] == '0') result[i] = '1';  // 反码：最高最不变，其它的0->1,,1->0
            else result[i] = '0';
        }
        for (i = 0; result[i] != '0'; i++)
        {
            result[i] = '0';              //补码 ：反码加+1
        }
        result[i] = '1';
    }
    reverse(result.begin(), result.end());  //将结果逆序，成为最终的二进制
    return result;
}
//二进制转整型
int binaryToInt(string s)
{
    int i, result = 0, p = 1;
    for (i = s.length() - 1; i >= 0; i--)
    {
        result += ((s[i] - '0') * p);   //数字字符转成字符
        p *= 2;
    }
    return result;
}
//整型转二进制
string intToBinary(int i)
{
    int k = 0;
    string result;
    while (k < 4) //此处，处理进入S盒后取出的数据转为2进制，此处最多用4bit
 
    {
        if (i)
        {
            result += ((i % 2) + '0');
            i /= 2;
        }
        else result += '0';
        k++;
    }
    reverse(result.begin(), result.end());
    return result;
}
//异或运算
string xorAB(string a, string b)
{
    int i;
    string result;
    for (i = 0; i < a.length(); i++)
    {                                           //+'0':表示数字转化为数字字符
        result += (((a[i] - '0') ^ (b[i] - '0')) + '0');  // -'0':表示数字字符转化为数字
    }
    return result;
}
//f函数
string f(string right, string k) //其中right 为明文的右分支R0--R16，k当前加密轮密钥
{
    int i, temp;
    string extendBinary, result, b0; //extendBinary用来存放E扩展32bit~48bit的内容
    string b[8], row, col;
    string b8, pb;
    for (i = 0; i < 48; i++)
    {
        extendBinary += right[extendTable[i] - 1];
    }
    b0 = xorAB(extendBinary, k);//扩展后的内容与此轮密钥异或操作并将结果存入b0中
    for (i = 0; i < 8; i++)  //将b0的内容分成八份，每份六bit，为进入S盒做准备
    {
        b[i] = b0.substr(i * 6, 6);
    }
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        //6bit的第一位和第六位作为行坐标
        row = b[i].substr(0, 1) + b[i].substr(5, 1);
        //6bit的第二至五位作为纵坐标
        col = b[i].substr(1, 4);
        //进行查表
        temp = sBox[i][binaryToInt(row)][binaryToInt(col)];
        //转到b8中合并----48bit压缩到32bit
        b[i] = intToBinary(temp);
        b8 += b[i];
    }
    //进行P盒置换
    for (i = 0; i < 32; i++)
    {
        pb += b8[pTable[i] - 1];
    }
    //f轮函数结束，返回pb
    return pb;
}
//明文/密文处理
string wen(string wenBinary[], int num)
{
    int i, j;
    string ipWenBinary[100];  //保存明文
    string left[17], right[17], temp, result; //分为左右两个分支
    for (i = 0; i < num; i++)
    {
        temp = ""; //一个暂存明文的字符串
        //进行IP置换
        for (j = 0; j < 64; j++)  //明文为64bit
        {
            temp += wenBinary[i][ipTable[j] - 1];
        }
        ipWenBinary[i] = temp;
    }
    //进行左右分支，分为left:L0,,,right:R0
    for (i = 0; i < num; i++)
    {
        left[0] = ipWenBinary[i].substr(0, 32);
        right[0] = ipWenBinary[i].substr(32, 32);
        //
        for (j = 0; j < 16; j++)   //进行16次循环
        {
            left[j + 1] = right[j];   //  left: L1 = R0
            //加密和解密的区别
            // flag 为全局变量
            if (flag == 1) // flage = 1进行加密，否则进行解密
                right[j + 1] = xorAB(left[j], f(right[j], k[j]));
            else
                //倒着进行解密
                right[j + 1] = xorAB(left[j], f(right[j], k[15 - j]));
        }
        temp = right[j] + left[j];  //经过16轮加密/解密，将左右32bit合并
        //将加密后的密文进行最后的置换，实际上和初始置换是对称的~！
        //每块的加密结果都和在result中,加密可以直接输出比特流
        // 进行IP的逆置换
        for (j = 0; j < 64; j++)
        {
            result += temp[ipReverseTable[j] - 1];
        }
    }
    //解密结果输出的是字符
    if (flag == 2)
    {
        string ch;
        for (i = 0; i < num * 8; i++) //一个模块是8个bit
        {
            ch += binaryToInt(result.substr(8 * i, 8)); //每8bit进行一次二进制转整型
        }
        result = ch;
    }
    return result;
}
//密钥处理
void miyao()
{
    int i, j;
    string miyao, miyaoBinary, pc1MiyaoBinary;
    string c[17], d[17], temp, pc2Temp;
    cout << "请输入密钥：";
    while (cin >> miyao)
    {
        if (miyao.length() < 9) break;
        else cout << "密钥不能超过8位，请重新输入：";
    }
    for (i = 0; i < miyao.length(); i++)
    {
        miyaoBinary += charToBinary(miyao[i]);
    }
    //密钥长度不足64bit，补'0'
    //64位中，只有56位参与运算，其中8位为校验位
    while (miyaoBinary.length() % 64 != 0)
    {
        miyaoBinary += '0';
    }
    //从64bit密钥中依据PC-1盒子取出56bit
    for (i = 0; i < 56; i++)
    {
        pc1MiyaoBinary += miyaoBinary[pc1Table[i] - 1];
    }
    //56bit分成左右两部分
    // 左右两部分都为28bit
    c[0] = pc1MiyaoBinary.substr(0, 28);
    d[0] = pc1MiyaoBinary.substr(28, 28);
    产生16轮加密需要的密钥，存入全局变量k[]中
    for (i = 1; i <= 16; i++)
    {
        //根据循环移位表，确定生成该轮密钥移位数目
        c[i] = c[i - 1].substr(loopTable[i - 1], 28 - loopTable[i - 1]) + c[i - 1].substr(0, loopTable[i - 1]);
        d[i] = d[i - 1].substr(loopTable[i - 1], 28 - loopTable[i - 1]) + d[i - 1].substr(0, loopTable[i - 1]);
        //移位后将其合并
        temp = c[i] + d[i];
        pc2Temp = "";
        // 通过PC2成为48bit密钥
        for (j = 0; j < 48; j++)
        {
            pc2Temp += temp[pc2Table[j] - 1];
        }
        k[i - 1] = pc2Temp;//从1`16
    }
}
// 输出函数
void DES()
{
    int i, j, num;
    string wenString, wenBinary[100], temp;
    while (1)
    {
        cout << "----------------------------------------------" << endl;
        cout << "*****     请选择所需功能： *****" << endl;
        cout << "*****       1. 加密        *****" << endl;
        cout << "*****       2. 解密        *****" << endl;
        cout << "*****       0.退出程序     *****"<< endl;
        cout << "----------------------------------------------" << endl;
        cin >> flag;
        if (!flag) 
            break;
        else if ((flag != 1) && (flag != 2))
        {
            cout << "输入不合法，请重新输入！" << endl << endl;
            continue;
        }
        num = 0;
        miyao();
        getchar();
        switch (flag)
        {
        case 1:
            cout << "请输入明文：";
            getline(cin, wenString);//输入明文
            //将明文转成二进制
            for (i = 0; i < wenString.length(); i++)
            {
                temp += charToBinary(wenString[i]);
                //字符每满8bit为一组，最后一组可以不满8bit，后面会补0
                if (((i + 1) % 8 == 0) || (((i + 1) % 8 != 0) && (i == wenString.length() - 1)))
                {
                    wenBinary[num++] = temp;
                    temp = "";
                }
            }
            //最后一组不满64位就补零，补的零，一定是八的整数倍，二进制00000000为null空字符，不输出
            while (wenBinary[num - 1].length() % 64 != 0)
            {
                wenBinary[num - 1] += '0';
            }
            cout << "加密结果为（二进制）：" << wen(wenBinary, num) << endl << endl;
            break;
        case 2:
            cout << "请输入密文（二进制）：";
            cin >> wenString;
            for (i = 0; i * 64 < wenString.length(); i++)
            {
                wenBinary[num++] = wenString.substr(i * 64, 64);
            }
            cout << "解密结果为（字符）：" << wen(wenBinary, num) << endl << endl;
            break;
        case 3:
            exit(0);
        default :
            cout << "输入错误，请重新输入" << endl;
        }
    }
}

void menu()
{
    cout << "**********************************************" << endl;
    cout << "**********************************************" << endl;
    cout << "***********欢迎来到DES加密测试系统************" << endl;
    cout << "**********************************************" << endl;
    cout << "**********************************************" << endl;
}
int main()
{
    menu();
    DES();
    return 0;
}

四、总结

5、DES 的优缺点
优点：

安全性高：DES 算法使用密钥进行加密和解密，相同的明文使用不同的密钥加密后得到的密文是不同的。密钥越长，加密的安全性就越高。
算法简单：DES 算法的加密和解密过程非简单，基于对称加密，使用相同的 key 进行加解密。
适用广泛：DES 算法是最早也是最广泛使用的加密算法之一，被广泛应用于电子商务、电子邮件、虚拟私人网络等领域，具有广泛的适用性和可移植性。
缺点：

密钥长度较短：DES 算法使用 56 位密钥，虽然在当时足够安全，但在当前计算机的处理能力下，已经不足以保证加密的安全性，易受到暴力破解攻击。
无法抵抗差分密码分析攻击：DES 算法无法抵抗差分密码分析攻击，这种攻击可以通过比较相同明文的密文，分析加密算法的行为并推断出密钥。
比较慢：由于 DES 算法是一种分组密码算法，需要对 64 位的明文进行加密，加密速度比较慢，不适用于对大量数据进行实时加密和解密。