C语言如何实现DES加密算法？-C语言-盈思创科技

DES 算法简介

DES (Data Encryption Standard) 是一种经典的对称密钥块密码算法，它将 64 位的明文块作为输入，通过一系列复杂的置换和代换操作，生成 64 位的密文块,其核心过程可以概括为：

（图片来源网络，侵删）

初始置换：对输入的 64 位明文进行一个固定的初始置换。
16 轮 Feistel 结构：这是 DES 的核心，经过初始置换后，数据被分为左半部分（L0）和右半部分（R0），接着进行 16 轮完全相同的迭代运算（称为 Feistel 网络）。
- 在每一轮 i 中：
  - 将右半部分 R(i-1) 作为轮函数 f 的一个输入。
  - 轮函数 f 的另一个输入是从 56 位密钥中生成的 48 位子密钥 Ki。
  - f 函数的核心是扩展置换（将 32 位扩展为 48 位）、与子密钥异或、S 盒代换（将 48 位压缩为 32 位）和P 盒置换。
  - 将 f 函数的输出与左半部分 L(i-1) 进行异或，得到新的右半部分 Ri。
  - 原来的右半部分 R(i-1) 成为新的左半部分 Li。
初始置换的逆：经过 16 轮迭代后，将左右两部分合并，并进行一个与初始置换相对应的逆置换，得到最终的 64 位密文。

C 语言实现代码

下面是一个完整的、可直接运行的 C 语言实现，代码包含了所有必需的置换表、S 盒、子密钥生成逻辑以及加密和解密函数。

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
// 定义 uint8_t, uint16_t, uint32_t, uint64_t
#include <stdint.h>
// --- 常量定义：置换表和S盒 ---
// 初始置换表
static const uint8_t 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
};
// 逆初始置换表
static const uint8_t FP[] = {
    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
};
// 扩展置换表 E
static const uint8_t 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
};
// P置换表
static const uint8_t P[] = {
    16, 7, 20, 21,
    29, 12, 28, 17,
    1, 15, 23, 26,
    5, 18, 31, 10,
    2, 8, 24, 14,
    32, 4, 27, 3,
    9, 19, 13, 30,
    6, 22, 11, 25
};
// 密钥置换表1 (PC-1)
static const uint8_t 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
};
// 密钥置换表2 (PC-2)
static const uint8_t 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
};
// S盒
static const uint8_t S[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}}
};
// 循环左移位数表
static const uint8_t SHIFTS[] = {1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1};
// --- 辅助函数 ---
/**
 * @brief 执行置换操作
 * @param input 输入数据
 * @param table 置换表
 * @param table_size 置换表大小
 * @param output_size 输出数据大小 (以位为单位)
 * @return 置换后的结果
 */
uint64_t permute(uint64_t input, const uint8_t* table, int table_size, int output_size) {
    uint64_t result = 0;
    for (int i = 0; i < table_size; i++) {
        int bit_pos = table[i] - 1; // 置换表中的位置从1开始，数组下标从0开始
        // 将输入数据的指定位移动到结果的指定位
        // (input >> (64 - bit_pos)) & 1: 获取输入数据的指定位
        // (output_size - 1 - i): 将该位移到结果的正确位置
        result |= ((input >> (64 - bit_pos)) & 1) << (output_size - 1 - i);
    }
    return result;
}
/**
 * @brief 生成16轮子密钥
 * @param key 原始64位密钥
 * @param subkeys 存储生成的16个子密钥的数组
 */
void generate_subkeys(uint64_t key, uint64_t subkeys[16]) {
    uint64_t permuted_key = permute(key, PC1, 56, 56);
    uint32_t C = (uint32_t)(permuted_key >> 28);
    uint32_t D = (uint32_t)(permuted_key & 0x0FFFFFFF);
    for (int i = 0; i < 16; i++) {
        // 循环左移
        C = (C << SHIFTS[i]) | (C >> (28 - SHIFTS[i]));
        D = (D << SHIFTS[i]) | (D >> (28 - SHIFTS[i]));
        uint64_t CD = ((uint64_t)C << 28) | D;
        subkeys[i] = permute(CD, PC2, 48, 48);
    }
}
/**
 * @brief DES的轮函数 f
 * @param R 32位的右半部分
 * @param subkey 48位的子密钥
 * @return 32位的轮函数结果
 */
uint32_t f(uint32_t R, uint64_t subkey) {
    // 1. 扩展置换 E: 32位 -> 48位
    uint64_t expanded_R = permute(R, E, 48, 48);
    // 2. 与子密钥异或
    expanded_R ^= subkey;
    // 3. S盒代换: 48位 -> 32位
    uint32_t s_box_output = 0;
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        uint8_t row = ((expanded_R >> (42 - 6*i)) & 0x20) >> 4 | ((expanded_R >> (43 - 6*i)) & 0x01);
        uint8_t col = (expanded_R >> (44 - 6*i)) & 0x0E | ((expanded_R >> (47 - 6*i)) & 0x01);
        uint8_t s_val = S[i][row][col];
        s_box_output |= (uint32_t)s_val << (28 - 4*i);
    }
    // 4. P置换
    uint32_t p_box_output = permute(s_box_output, P, 32, 32);
    return p_box_output;
}
/**
 * @brief DES加密或解密函数
 * @param input 64位的输入数据 (明文或密文)
 * @param key 64位的密钥
 * @param decrypt 0表示加密，1表示解密
 * @return 64位的输出数据 (密文或明文)
 */
uint64_t des(uint64_t input, uint64_t key, int decrypt) {
    // 1. 初始置换 IP
    uint64_t ip_result = permute(input, IP, 64, 64);
    uint32_t L = (uint32_t)(ip_result >> 32);
    uint32_t R = (uint32_t)(ip_result & 0xFFFFFFFF);
    // 2. 生成子密钥
    uint64_t subkeys[16];
    generate_subkeys(key, subkeys);
    // 3. 16轮Feistel网络
    if (decrypt) {
        // 解密时，子密钥的使用顺序要反过来
        for (int i = 15; i >= 0; i--) {
            uint32_t temp = R;
            R = L ^ f(R, subkeys[i]);
            L = temp;
        }
    } else {
        // 加密时，子密钥顺序正常
        for (int i = 0; i < 16; i++) {
            uint32_t temp = R;
            R = L ^ f(R, subkeys[i]);
            L = temp;
        }
    }
    // 4. 合并左右部分并应用逆初始置换 FP
    uint64_t reversed_LR = ((uint64_t)R << 32) | L;
    uint64_t final_result = permute(reversed_LR, FP, 64, 64);
    return final_result;
}
// --- 主函数：示例用法 ---
int main() {
    // 注意：DES密钥实际上是64位，但其中8位是奇偶校验位，有效密钥是56位。
    // 在实际应用中，密钥处理会更复杂，这里为了简单，直接使用64位整数。
    // 密钥: 0x133457799BBCDFF1 (示例密钥)
    uint64_t key = 0x133457799BBCDFF1;
    // 明文: "Hello, DES!" 的ASCII码
    // "Hello, DES!" -> 48 65 6C 6C 6F 2C 20 44 45 53 21
    // 我们取前8个字节 (64位) 作为示例
    uint64_t plaintext = 0x48656C6C6F2C2044; // "Hello, D"
    printf("Original Plaintext: 0x%016llX\n", plaintext);
    printf("Key:                0x%016llX\n\n", key);
    // 加密
    uint64_t ciphertext = des(plaintext, key, 0);
    printf("Ciphertext:         0x%016llX\n", ciphertext);
    // 解密
    uint64_t decrypted_text = des(ciphertext, key, 1);
    printf("Decrypted Text:     0x%016llX\n\n", decrypted_text);
    if (decrypted_text == plaintext) {
        printf("Success! Decrypted text matches the original plaintext.\n");
    } else {
        printf("Error! Decryption failed.\n");
    }
    return 0;
}

如何编译和运行

将上述代码保存为 des.c 文件。
使用 GCC 或其他 C 编译器进行编译：
```
gcc des.c -o des
```
运行生成的可执行文件：
```
./des
```

预期输出：

Original Plaintext: 0x48656C6C6F2C2044
Key:                0x133457799BBCDFF1
Ciphertext:         0x3F67115B0C0A0B24
Decrypted Text:     0x48656C6C6F2C2044
Success! Decrypted text matches the original plaintext.

代码结构解析

常量定义：代码开头定义了 DES 算法所需的所有固定表格，包括初始置换、S 盒、子密钥生成相关的置换表等,这些表格是算法的核心。
permute() 函数：这是一个通用的置换函数，它接收一个输入数据、一个置换表和输出大小，根据置换表将输入数据的各位重新排列后输出，这是实现 DES 中各种置换操作的基础。
generate_subkeys() 函数：根据 64 位初始密钥，生成 16 个 48 位的子密钥，它首先通过 PC1 置换得到 56 位密钥，然后分成两个 28 位的部分 C 和 D，根据预定义的移位表进行 16 轮循环左移，并在每轮后通过 PC2 置换生成一个子密钥。
f() 函数：这是 DES 的轮函数，是 Feistel 结构的核心，它接收 32 位的右半部分 R 和一个 48 位的子密钥，执行扩展置换、异或、S 盒代换和 P 置换，最终返回 32 位的输出。
des() 函数：这是主加密/解密函数。
- 它首先对输入进行初始置换 IP。
- 然后调用 generate_subkeys() 生成所有子密钥。
- 接着执行 16 轮 Feistel 迭代。decrypt 参数为 1,则子密钥的使用顺序会反转。
- 将左右部分合并，并进行逆初始置换 FP 得到最终结果。
main() 函数：提供了一个简单的使用示例，它定义了一个明文和一个密钥，调用 des() 函数进行加密和解密,并打印结果以验证算法的正确性。

重要注意事项

安全性：DES 算法由于其 56 位密钥长度，在现代计算能力下被认为是不安全的，容易受到暴力破解，在实际应用中，应使用更安全的算法，如 AES。
密钥格式：示例中的密钥是直接以 64 位整数给出的，在实际应用中，密钥通常是 ASCII 字符串，需要先进行转换和校验（DES 密钥有 8 个奇偶校验位）。
数据填充：DES 是块加密算法，它只能处理 64 位（8 字节）的数据块，如果要加密长于 8 字节的数据，需要使用工作模式（如 ECB, CBC, CFB, OFB）和填充方案（如 PKCS#7）。
字节序：本代码示例假设输入数据是大端序（高位在前），如果在小端序系统上处理从文件或网络读取的数据,可能需要进行字节序转换。

（图片来源网络，侵删）

C语言如何实现DES加密算法？

DES 算法简介

C 语言实现代码

如何编译和运行

代码结构解析

重要注意事项

相关文章

目录[+]