DES 加密算法 C 語言實現：核心流程、S 盒、密鑰調度與優化技巧

編輯：關於C語言

一、DES 算法概覽

分組長度：64 位（8 字節）
密鑰長度：56 位有效位 + 8 位校驗位 = 64 位
核心結構：Feistel 網絡，16 輪迭代
主要操作：初始置換 (IP)、擴展置換 (E)、S 盒代換、P 置換、逆初始置換 (IP⁻¹)

二、核心數據表（標準 DES）

代碼中定義了以下常量表（均為標準值）：

g_arrayIP[64]：初始置換表
g_arrayE[48]：擴展置換表（32→48 位）
g_matrixNSBox[8][64]：8 個 S 盒（6→4 位）
g_arrayP[32]：P 置換表
g_arrayIP_1[64]：逆初始置換表
g_arrayPC_1[56]：PC-1 密鑰壓縮置換（64→56）
g_arrayPC_2[48]：PC-2 子密鑰壓縮置換（56→48）
g_arrayLs[16]：每輪循環左移位數

三、關鍵宏：位變換通用函數

#define BitTransform(array, len, source, dest) \
{ \
    __int64 bts = source; \
    int bti; \
    dest = 0; \
    for (bti = 0; bti < len; bti++) { \
        if (array[bti] >= 0 && (bts & g_arrayMask[array[bti]])) \
            dest |= g_arrayMask[bti]; \
    } \
}

通用位置換/選擇函數，支援負索引（-1 表示跳過，用於 E/PC-2 表中）。
g_arrayMask[64] 預計算 1ULL << i，避免運行時移位開銷。

四、子密鑰生成

void DESSubKeys(__int64 key, __int64 K[16], int mode) {
    __int64 temp;
    // PC-1 置換：64->56
    BitTransform(g_arrayPC_1, 56, key, temp);
    for (int j = 0; j < 16; j++) {
        // 循環左移
        __int64 src = temp;
        int shift = g_arrayLs[j];
        temp = ((src & g_arrayLsMask[shift]) << (28 - shift)) |
               ((src & ~g_arrayLsMask[shift]) >> shift);
        // PC-2 置換：56->48（存入 64 位變量，高 16 位為 0）
        BitTransform(g_arrayPC_2, 64, temp, K[j]);
    }
    // 解密時反轉子密鑰順序
    if (mode == DES_MODE_DECRYPT) {
        for (int j = 0; j < 8; j++) {
            __int64 t = K[j]; K[j] = K[15-j]; K[15-j] = t;
        }
    }
}

五、核心加密函數（單分組）


__int64 DES64(__int64 subkeys[16], __int64 data) {
    __int64 out;
    // IP 置換
    BitTransform(g_arrayIP, 64, data, out);
    __int32* pSrc = (__int32*)&out; // 高 32 位 L，低 32 位 R
    for (int i = 0; i < 16; i++) {
        __int64 R = pSrc[1];
        // F 函數
        // 1. E 擴展 32->48
        BitTransform(g_arrayE, 64, R, R);
        // 2. 與子密鑰異或
        R ^= subkeys[i];
        // 3. S 盒代換 48->32
        __int32 SOut = 0;
        char* pR = (char*)&R; // 視為 8 字節，每字節 6 位有效
        for (int sbi = 7; sbi >= 0; sbi--) {
            SOut <<= 4;
            SOut |= g_matrixNSBox[sbi][pR[sbi]];
        }
        R = SOut;
        // 4. P 置換
        BitTransform(g_arrayP, 32, R, R);
        // Feistel 交換
        __int32 L = pSrc[0];
        pSrc[0] = pSrc[1];
        pSrc[1] = L ^ (__int32)R;
    }
    // 最後交換 L/R
    __int32 t = pSrc[0]; pSrc[0] = pSrc[1]; pSrc[1] = t;
    // IP⁻¹ 置換
    BitTransform(g_arrayIP_1, 64, out, out);
    return out;
}

六、使用示例


#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

int main() {
    uint64_t key = 0x133457799BBCDFF1; // 64 位密鑰（含校驗位）
    uint64_t plain = 0x0123456789ABCDEF;
    uint64_t K[16];
    DESSubKeys(key, K, DES_MODE_ENCRYPT);
    uint64_t cipher = DES64(K, plain);
    printf("Cipher: %016llX\n", cipher);
    // 解密
    DESSubKeys(key, K, DES_MODE_DECRYPT);
    uint64_t dec = DES64(K, cipher);
    printf("Decrypted: %016llX\n", dec);
    return 0;
}