为了更好地理解DES算法,美国圣克拉拉大学的Edward Schaefer教授于1996年开发了Simplfied DES方案,简称S-DES方案。它是一个供教学而非安全使用的加密算法,它与DES的特性和结构类似,但参数小,明文分组为8位,主密钥分组为10位,采用两轮选代。
S-DES的加密原理图如上图所示
S-DES的具体实现步骤:
- 初始置换IP:将8位的明文按照置换顺序分为左4位 和右4位
- 第1轮运算, 一方面直接输出作为下一轮的 ,另一方面作为f函数的输入与8位的子密钥 参与函数运算,运算结果与 异或,结果作为下一轮的
- 第2轮运算, 一方面直接输出作为下一轮的 ,另一方面作为f函数的输入与8位子密钥 参与函数运算,运算结构与 异或,结果作为下一轮的
- 逆置换
S-DES子密钥生成过程的步骤:
- 主密钥K进行P10置换(35274,10,1986)
- 分成左5位和右5位,再进行 操作(左循环1位),其结果一方面作为下一轮的初始值,一方面进行P8置换(637485,10,9),得到
- 将上一轮结果分布左循环2位,经过P8置换,得到
S-DES的f函数结构如上图所示
S-DES的f函数结构的具体实现步骤:
- E/P扩展及置换: 将4位扩展为8位
- 扩展后的8位与密钥 或 异或,输出8位
- 左边4位作为 ,输入,右边4位作为 输入
- 在 和 中,分别将第1位与第4位结合,形成2位代表S盒的行号,分别将第2位与第3位结合,形成2位代表S盒的列号,从而得到S盒的输出。S-DES的S盒如下表所示
- 进行 置换,得到 函数的输出
S-DES的S盒
01 | 00 | 11 | 10 | 00 | 01 | 10 | 11 | ||
11 | 10 | 01 | 00 | 10 | 00 | 01 | 11 | ||
00 | 10 | 01 | 11 | 11 | 10 | 01 | 00 | ||
11 | 01 | 00 | 10 | 10 | 01 | 00 | 11 |
S-DES解密的步骤:
- IP置换(26314857)
- 如图一逆过程从 和 开始倒着来
- 置换(41357286)
如设主密钥 =1010000010,用S-DES加密明文字母
- 先求得 和 ,主密钥经过P10置换的到:1000001100
- 操作:0000111000
- P8置换产生 :10100100
- 操作:0010000011
- P8置换产生 :01000011
- 字母 的ASCII码为67,对应二进制位01000011
- IP置换: =1000, =0101
- 第1轮: =1000,
- , =0000
- 第二轮: =1001,
- =1100,
- 置换:01000100(ASCII码为68,对应字母D)
所以我们可以将其程序化
#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
using namespace std;
int S1[4][4][2]={{{0,1},{0,0},{1,1},{1,0}},
{{1,1},{1,0},{0,1},{0,0}},
{{0,0},{1,0},{0,1},{1,1}},
{{1,1},{0,1},{0,0},{1,0}}};
int S2[4][4][2]={{{0,0},{0,1},{1,0},{1,1}},
{{1,0},{0,0},{0,1},{1,1}},
{{1,1},{1,0},{0,1},{0,0}},
{{1,0},{0,1},{0,0},{1,1}}};
void createkey(int k[11],int k1[9],int k2[9])
{
int temp[11];
temp[1]=k[3],temp[2]=k[5],temp[3]=k[2],temp[4]=k[7],temp[5]=k[4],temp[6]=k[10],temp[7]=k[1],temp[8]=k[9],temp[9]=k[8],temp[10]=k[6];
int l[6],r[6];
for(int i=1;i<=5;i++)
l[i]=temp[i],r[i]=temp[i+5];
int x1,x2,x3,x4;
x1=l[1],x2=r[1];
for(int i=2;i<=5;i++)
l[i-1]=l[i],r[i-1]=r[i];
l[5]=x1;
r[5]=x2;
for(int i=1;i<=5;i++)
temp[i]=l[i],temp[i+5]=r[i];
k1[1]=temp[6],k1[2]=temp[3],k1[3]=temp[7],k1[4]=temp[4],k1[5]=temp[8],k1[6]=temp[5],k1[7]=temp[10],k1[8]=temp[9];
x1=l[1],x2=l[2],x3=r[1],x4=r[2];
for(int i=2;i<=5;i++)
l[i-2]=l[i],r[i-2]=r[i];
l[4]=x1,l[5]=x2;
r[4]=x3,r[5]=x4;
for(int i=1;i<=5;i++)
temp[i]=l[i],temp[i+5]=r[i];
k2[1]=temp[6],k2[2]=temp[3],k2[3]=temp[7],k2[4]=temp[4],k2[5]=temp[8],k2[6]=temp[5],k2[7]=temp[10],k2[8]=temp[9];
}
void f(int R[],int K[])
{
int temp[9];
temp[1]=R[4],temp[2]=R[1],temp[3]=R[2],temp[4]=R[3],temp[5]=R[2],temp[6]=R[3],temp[7]=R[4],temp[8]=R[1];
for(int i=1;i<=8;i++)
temp[i]=temp[i]^K[i];
int s1[5],s2[5];
for(int i=1;i<=4;i++)
s1[i]=temp[i],s2[i]=temp[i+4];
int x1=S1[s1[1]*2+s1[4]][s1[2]*2+s1[3]][0],x2=S1[s1[1]*2+s1[4]][s1[2]*2+s1[3]][1];
int x3=S2[s2[1]*2+s2[4]][s2[2]*2+s2[3]][0],x4=S2[s2[1]*2+s2[4]][s2[2]*2+s2[3]][1];
R[1]=x2,R[2]=x4,R[3]=x3,R[4]=x1;
}
void Encode(int x,int k1[],int k2[])
{
int ming[9];
for(int i=8;i>=1;i--)
{
ming[i]=x%2;
x/=2;
}
int temp[9];
temp[1]=ming[2],temp[2]=ming[6],temp[3]=ming[3],temp[4]=ming[1],temp[5]=ming[4],temp[6]=ming[8],temp[7]=ming[5],temp[8]=ming[7];
int L0[5],R0[5],L1[5],R1[5],L2[5],R2[5];
for(int i=1;i<=4;i++)
L0[i]=temp[i],R0[i]=temp[i+4];
memcpy(L1,R0,sizeof(L1));
f(R0,k1);
for(int i=1;i<=4;i++)
R1[i]=L0[i]^R0[i];
memcpy(R2,R1,sizeof(R2));
f(R1,k2);
for(int i=1;i<=4;i++)
L2[i]=L1[i]^R1[i];
temp[1]=L2[4],temp[2]=L2[1],temp[3]=L2[3],temp[4]=R2[1],temp[5]=R2[3],temp[6]=L2[2],temp[7]=R2[4],temp[8]=R2[2];
printf("加密后二进制为:");
int ans=0;
for(int i=1;i<=8;i++)
{
ans+=temp[i]*(1<<(8-i));
printf("%d",temp[i]);
}
printf("\n");
printf("加密后对应字母为:%c\n",ans);
}
void Decode(int x,int k1[],int k2[])
{
int ming[9];
for(int i=8;i>=1;i--)
{
ming[i]=x%2;
x/=2;
}
int temp[9];
temp[1]=ming[2],temp[2]=ming[6],temp[3]=ming[3],temp[4]=ming[1],temp[5]=ming[4],temp[6]=ming[8],temp[7]=ming[5],temp[8]=ming[7];
int L0[5],R0[5],L1[5],R1[5],L2[5],R2[5];
for(int i=1;i<=4;i++)
L2[i]=temp[i],R2[i]=temp[i+4];
memcpy(R1,R2,sizeof(R1));
f(R2,k2);
for(int i=1;i<=4;i++)
L1[i]=L2[i]^R2[i];
memcpy(R0,L1,sizeof(R0));
f(L1,k1);
for(int i=1;i<=4;i++)
L0[i]=R1[i]^L1[i];
temp[1]=L0[4],temp[2]=L0[1],temp[3]=L0[3],temp[4]=R0[1],temp[5]=R0[3],temp[6]=L0[2],temp[7]=R0[4],temp[8]=R0[2];
printf("解密后二进制为:");
int ans=0;
for(int i=1;i<=8;i++)
{
ans+=temp[i]*(1<<(8-i));
printf("%d",temp[i]);
}
printf("\n");
printf("解密后对应字母为:%c\n",ans);
}
int main()
{
int k[11],k1[9],k2[9];
printf("请输入主密钥K:");
for(int i=1;i<=10;i++)
scanf("%1d",&k[i]);
createkey(k,k1,k2);
char ming[2];
printf("请输入明文:");
scanf("%s",ming);
Encode(ming[0],k1,k2);
printf("请输入密文:");
char mi[2];
scanf("%s",mi);
Decode(mi[0],k1,k2);
return 0;
}