本文介紹了一種國際上通用的加密演算法—DES演算法的原理，並給出了在VC++6.0語言環境下實現的源代碼。最後給出一個示例，以供參考。
關鍵字：DES演算法、明文、密文、密鑰、VC；
本文程序運行效果圖如下：
正文：
當今社會是信息化的社會。為了適應社會對計算機數據安全保密越來越高的要求，美國國家標准局(NBS)於1997年公布了一個由IBM公司研製的一種加密演算法，並且確定為非機要部門使用的數據加密標准，簡稱DES(Data Encrypton Standard)。自公布之日起，DES演算法作為國際上商用保密通信和計算機通信的最常用演算法，一直活躍在國際保密通信的舞台上，扮演了十分突出的角色。現將DES演算法簡單介紹一下，並給出實現DES演算法的VC源代碼。
DES演算法由加密、解密和子密鑰的生成三部分組成。
一．加密
DES演算法處理的數據對象是一組64比特的明文串。設該明文串為m=m1m2…m64 (mi=0或1)。明文串經過64比特的密鑰K來加密，最後生成長度為64比特的密文E。其加密過程圖示如下：
DES演算法加密過程
對DES演算法加密過程圖示的說明如下：待加密的64比特明文串m，經過IP置換後，得到的比特串的下標列表如下：
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
該比特串被分為32位的L0和32位的R0兩部分。R0子密鑰K1(子密鑰的生成將在後面講)經過變換f(R0,K1)（f變換將在下面講）輸出32位的比特串f1,f1與L0做不進位的二進制加法運算。運算規則為：
f1與L0做不進位的二進制加法運算後的結果賦給R1，R0則原封不動的賦給L1。L1與R0又做與以上完全相同的運算，生成L2，R2…… 一共經過16次運算。最後生成R16和L16。其中R16為L15與f(R15,K16)做不進位二進制加法運算的結果，L16是R15的直接賦值。
R16與L16合並成64位的比特串。值得注意的是R16一定要排在L16前面。R16與L16合並後成的比特串，經過置換IP-1後所得比特串的下標列表如下：
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
經過置換IP-1後生成的比特串就是密文e.。
下面再講一下變換f(Ri-1,Ki)。
它的功能是將32比特的輸入再轉化為32比特的輸出。其過程如圖所示：
對f變換說明如下：輸入Ri-1(32比特)經過變換E後，膨脹為48比特。膨脹後的比特串的下標列表如下：
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 31
膨脹後的比特串分為8組，每組6比特。各組經過各自的S盒後，又變為4比特(具體過程見後)，合並後又成為32比特。該32比特經過P變換後，其下標列表如下：
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
經過P變換後輸出的比特串才是32比特的f (Ri-1,Ki)。
下面再講一下S盒的變換過程。任取一S盒。見圖：
在其輸入b1,b2,b3,b4,b5,b6中，計算出x=b1*2+b6, y=b5+b4*2+b3*4+b2*8，再從Si表中查出x 行，y 列的值Sxy。將Sxy化為二進制，即得Si盒的輸出。（S表如圖所示）
至此，DES演算法加密原理講完了。在VC++6.0下的程序源代碼為：
for(i=1;i<=64;i++)
m1[i]=m[ip[i-1]];//64位明文串輸入，經過IP置換。
下面進行迭代。由於各次迭代的方法相同只是輸入輸出不同，因此只給出其中一次。以第八次為例：//進行第八次迭代。首先進行S盒的運算，輸入32位比特串。
for(i=1;i<=48;i++)//經過E變換擴充，由32位變為48位
RE1[i]=R7[E[i-1]];
for(i=1;i<=48;i++)//與K8按位作不進位加法運算
RE1[i]=RE1[i]+K8[i];
for(i=1;i<=48;i++)
{
if(RE1[i]==2)
RE1[i]=0;
}
for(i=1;i<7;i++)//48位分成8組
{
s11[i]=RE1[i];
s21[i]=RE1[i+6];
s31[i]=RE1[i+12];
s41[i]=RE1[i+18];
s51[i]=RE1[i+24];
s61[i]=RE1[i+30];
s71[i]=RE1[i+36];
s81[i]=RE1[i+42];
}//下面經過S盒，得到8個數。S1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8分別為S表
s[1]=s1[s11[6]+s11[1]*2][s11[5]+s11[4]*2+s11[3]*4+s11[2]*8];
s[2]=s2[s21[6]+s21[1]*2][s21[5]+s21[4]*2+s21[3]*4+s21[2]*8];
s[3]=s3[s31[6]+s31[1]*2][s31[5]+s31[4]*2+s31[3]*4+s31[2]*8];
s[4]=s4[s41[6]+s41[1]*2][s41[5]+s41[4]*2+s41[3]*4+s41[2]*8];
s[5]=s5[s51[6]+s51[1]*2][s51[5]+s51[4]*2+s51[3]*4+s51[2]*8];
s[6]=s6[s61[6]+s61[1]*2][s61[5]+s61[4]*2+s61[3]*4+s61[2]*8];
s[7]=s7[s71[6]+s71[1]*2][s71[5]+s71[4]*2+s71[3]*4+s71[2]*8];
s[8]=s8[s81[6]+s81[1]*2][s81[5]+s81[4]*2+s81[3]*4+s81[2]*8];
for(i=0;i<8;i++)//8個數變換輸出二進制
{
for(j=1;j<5;j++)
{
temp[j]=s[i+1]%2;
s[i+1]=s[i+1]/2;
}
for(j=1;j<5;j++)
f[4*i+j]=temp[5-j];
}
for(i=1;i<33;i++)//經過P變換
frk[i]=f[P[i-1]];//S盒運算完成
for(i=1;i<33;i++)//左右交換
L8[i]=R7[i];
for(i=1;i<33;i++)//R8為L7與f(R,K)進行不進位二進制加法運算結果
{
R8[i]=L7[i]+frk[i];
if(R8[i]==2)
R8[i]=0;
}
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DES演算法及其在VC++6.0下的實現(下)
作者：航天醫學工程研究所四室 朱彥軍
在《DES演算法及其在VC++6.0下的實現(上)》中主要介紹了DES演算法的基本原理，下面讓我們繼續：
二．子密鑰的生成
64比特的密鑰生成16個48比特的子密鑰。其生成過程見圖：
子密鑰生成過程具體解釋如下：
64比特的密鑰K，經過PC-1後，生成56比特的串。其下標如表所示：
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
該比特串分為長度相等的比特串C0和D0。然後C0和D0分別循環左移1位，得到C1和D1。C1和D1合並起來生成C1D1。C1D1經過PC-2變換後即生成48比特的K1。K1的下標列表為：
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
C1、D1分別循環左移LS2位，再合並，經過PC-2，生成子密鑰K2……依次類推直至生成子密鑰K16。
注意：Lsi (I =1,2,….16)的數值是不同的。具體見下表：
迭代順序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
左移位數 1 1 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 1
生成子密鑰的VC程序源代碼如下：
for(i=1;i<57;i++)//輸入64位K，經過PC-1變為56位 k0[i]=k[PC_1[i-1]];
56位的K0，均分為28位的C0，D0。C0，D0生成K1和C1，D1。以下幾次迭代方法相同，僅以生成K8為例。 for(i=1;i<27;i++)//循環左移兩位
{
C8[i]=C7[i+2];
D8[i]=D7[i+2];
}
C8[27]=C7[1];
D8[27]=D7[1];
C8[28]=C7[2];
D8[28]=D7[2];
for(i=1;i<=28;i++)
{
C[i]=C8[i];
C[i+28]=D8[i];
}
for(i=1;i<=48;i++)
K8[i]=C[PC_2[i-1]];//生成子密鑰k8
注意：生成的子密鑰不同，所需循環左移的位數也不同。源程序中以生成子密鑰 K8為例，所以循環左移了兩位。但在編程中，生成不同的子密鑰應以Lsi表為准。
三．解密
DES的解密過程和DES的加密過程完全類似，只不過將16圈的子密鑰序列K1，K2……K16的順序倒過來。即第一圈用第16個子密鑰K16，第二圈用K15，其餘類推。
第一圈：
加密後的結果
L=R15, R=L15⊕f(R15,K16)⊕f(R15,K16)=L15
同理R15=L14⊕f(R14,K15), L15=R14。
同理類推：
得 L=R0, R=L0。
其程序源代碼與加密相同。在此就不重寫。
四．示例
例如：已知明文m=learning, 密鑰 k=computer。
明文m的ASCII二進製表示：
m= 01101100 01100101 01100001 01110010
01101110 01101001 01101110 01100111
密鑰k的ASCII二進製表示：
k=01100011 01101111 01101101 01110000
01110101 01110100 01100101 01110010
明文m經過IP置換後，得：
11111111 00001000 11010011 10100110 00000000 11111111 01110001 11011000
等分為左右兩段：
L0=11111111 00001000 11010011 10100110 R0=00000000 11111111 01110001 11011000
經過16次迭代後，所得結果為：
L1=00000000 11111111 01110001 11011000 R1=00110101 00110001 00111011 10100101
L2=00110101 00110001 00111011 10100101 R2=00010111 11100010 10111010 10000111
L3=00010111 11100010 10111010 10000111 R3=00111110 10110001 00001011 10000100
L4= R4=
L5= R5=
L6= R6=
L7= R7=
L8= R8=
L9= R9=
L10= R10=
L11= R11=
L12= R12=
L13= R13=
L14= R14=
L15= R15=
L16= R16=
其中，f函數的結果為：
f1= f2=
f3= f4=
f5= f6=
f7= f8=
f9= f10=
f11= f12=
f13= f14=
f15= f16=
16個子密鑰為：
K1= K2=
K3= K4=
K5= K6=
K7= K8=
K9= K10=
K11= K12=
K13= K14=
K15= K16=
S盒中，16次運算時，每次的8 個結果為：
第一次：5，11，4，1，0，3，13，9；
第二次：7，13，15，8，12，12，13，1；
第三次：8，0，0，4，8，1，9，12；
第四次：0，7，4，1，7，6，12，4；
第五次：8，1，0，11，5，0，14，14；
第六次：14，12，13，2，7，15，14，10；
第七次：12，15，15，1，9，14，0，4；
第八次：15，8，8，3，2，3，14，5；
第九次：8，14，5，2，1，15，5，12；
第十次：2，8，13，1，9，2，10，2；
第十一次：10，15，8，2，1，12，12，3；
第十二次：5，4，4，0，14，10，7，4；
第十三次：2，13，10，9，2，4，3，13；
第十四次：13，7，14，9，15，0，1，3；
第十五次：3，1，15，5，11，9，11，4；
第十六次：12，3，4，6，9，3，3，0；
子密鑰生成過程中，生成的數值為：
C0=0000000011111111111111111011 D0=1000001101110110000001101000
C1=0000000111111111111111110110 D1=0000011011101100000011010001
C2=0000001111111111111111101100 D2=0000110111011000000110100010
C3=0000111111111111111110110000 D3=0011011101100000011010001000
C4=0011111111111111111011000000 D4=1101110110000001101000100000
C5=1111111111111111101100000000 D5=0111011000000110100010000011
C6=1111111111111110110000000011 D6=1101100000011010001000001101
C7=1111111111111011000000001111 D7=0110000001101000100000110111
C8=1111111111101100000000111111 D8=1000000110100010000011011101
C9=1111111111011000000001111111 D9=0000001101000100000110111011
C10=1111111101100000000111111111 D10=0000110100010000011011101100
C11=1111110110000000011111111111 D11=0011010001000001101110110000
C12=1111011000000001111111111111 D12=1101000100000110111011000000
C13=1101100000000111111111111111 D13=0100010000011011101100000011
C14=0110000000011111111111111111 D14=0001000001101110110000001101
C15=1000000001111111111111111101 D15=0100000110111011000000110100
C16=0000000011111111111111111011 D16=1000001101110110000001101000
解密過程與加密過程相反，所得的數據的順序恰好相反。在此就不贅述。
參考書目：
《計算機系統安全》 重慶出版社 盧開澄等編著
《計算機密碼應用基礎》 科學出版社 朱文余等編著
《Visual C++ 6.0 編程實例與技巧》 機械工業出版社 王華等編著