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いのべこ（富士通システムズウェブテクノロジー）Advent Calendar 2020Day 17
@hosumi-yuto

DESを用いたファイル暗号化システムの実装

Posted at

はじめに

visual studioを使用し、指定したファイルをDESで暗号化、複合化を行うソフトウェアを作成いたしました。
大学時代の研究室で暗号化の勉強をしていた時に趣味で作成途中であったものです。
未熟な部分もあると思いますのでご了承ください。

開発環境

windows 10
Visual studio 12.0

DESとは

DESとはファイルに入力された平文を64bit単位でデータを暗号化するアルゴリズムである。(入力が64bitに満たない場合は0データを追加する)
入力は平文とは別に鍵データと呼ばれる64bitのデータがあり平文と鍵データを用いることで64bit単位のデータが出力される。

DESの暗号化手順は以下を参照ください。
https://www.atmarkit.co.jp/ait/articles/1505/21/news030.html

実装

今回ご紹介するのは3つのソースについてです。
・Des()　　　　　 DES方式で暗号化する
・encryption() DES暗号化方式で平文を暗号化する
・key_form()　 鍵(拡大鍵)を生成する

1.Des()

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include"enc.h"

int key_form(byte password[8], int key[16][48]);
int enc_func(byte Pla_file[8], int Key[16][48], byte Enc_file[8]);

int Des(byte* hira, byte* ango, int in_length, byte pass[16]){
    int key[16][48] = { 0 }, error=0;
    byte password[8] = { (byte)NULL }, Pla_file[8] = { (byte)NULL }, Enc_file[8] = { (byte)NULL };
    for (int i = 0; i < 8; i++){
        password[i] = pass[i];
    }
    if (password[8] = NULL){
        return -1;
    }
    error = key_form(password, key);

    if (error= -1){
        return -2;
    }

    for (int i = 0; i < in_length%32; i++){
        for (int j = 0; j < 8; j++){
            Pla_file[j] = hira[i + j];
        }
        if (Pla_file[8] = NULL){
            return -1;
        }

        error=enc_func(Pla_file, key, Enc_file);
        if (error = -1){
            return -2;
        }
        for (int j = 0; j < 8; j++){
            ango[i + j] = Enc_file[j];
        }
    }

    printf("des\n");
    return 0;

}

1．hira,passに値が入っているかを確認。入っていなければ，-1を返す。入っていれば次の処理に進む。
2．passをkey_form()に送り、鍵を生成する。呼び出した関数の戻り値が-1であれば、戻り値-2を返す。戻り値が0であれば次の処理に進む。
3．enc_func()に生成した鍵・hira・angoを引数として呼び出す。呼び出した関数の戻り値が-1であれば，戻り値-3を返す。戻り値が0であれば次の処理に進む。
4．3を平文のブロック数分繰り返す。
5．戻り値0を返す。

2.encryption()

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include"enc.h"

static int first_t[8][8] = {
    { 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 } };//初期転置IP

static int final_t[8][8] = {
    { 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 } };//最終転置IP⁻¹

static int extend_t[8][6] = {
    { 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 } };//拡大型転置E

static int p_t[8][4] = {
    { 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 } };//内部設計に抜けている転置表P

static int s1[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 } };

static int s2[4][16] = {
    { 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 } };

static int s3[4][16] = {
    { 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 } };

static int s4[4][16] = {
    { 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 } };

static int s5[4][16] = {
    { 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 } };

static int s6[4][16] = {
    { 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 } };

static int s7[4][16] = {
    { 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 } };

static int s8[4][16] = {
    { 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 } };

int enc_func(byte Pla_file[8], int Key[16][48], byte Enc_file[8]){
    byte itb[] = { 0x80, 0x40, 0x20, 0x10, 0x08, 0x04, 0x02, 0x01 };//2進数を10進数に戻すために使用
    int state_txt[64] = { 0 };//内部配列（入力データ格納配列）
    int out_txt[64] = { 0 };
    int R_txt[32] = { 0 };//下位32ビット
    int L_txt[32] = { 0 };//上位32ビット
    int temp[32] = { 0 };//一時保存配列
    int f[32] = { 0 };//f関数で生成したの値
    int s_txt[6] = { 0 };//R_txtを拡大転置した値とkeyの値を排他的論理和した値
    int i = 0, j = 0, k = 0, h = 0, s = 0, t = 0,z=0;

    if (Pla_file == NULL || Key == NULL){return -1; }//入力エラー判定

    //10進数のPla_file8バイトを2進数のstate_txt64ビットに変換する
    for (i = 0; i < 8; i++){
        for (j = 7; j >= 0; j--){
            state_txt[8 * i + j] = (Pla_file[i] >> (7 - j)) & 0x01;
        }
    }
    for (i = 0; i < 8; i++){
        for (j = 7; j >= 0; j--){
            L_txt[z] = state_txt[first_t[i][j]];
            R_txt[z] = state_txt[first_t[i][j]];
            z++;
        }
    }

    for (i = 0; i < 16; i++){//16回の繰り返し処理のfor文は複雑なのでこの中のfor文はすべて記述してあるがその他①，⑦，⑧はfor文の処理等も含め考えよ、②，③，⑤，⑥は式を記述、④はsボックスを使用するための条件式も考える
        for (j = 0; j < 32; j++){
            temp[j] = R_txt[j];
        }
        for (j = 0; j < 8; j++){
            for (s = 0; s < 6; s++){
                s_txt[z] = R_txt[extend_t[j][s] ^ Key[j][s]];
                z++;
            }
            h = s_txt;

            for (s = 3; s >= 0; s--){
                f[4 * j + s] = (h >> (3 - s)) & 0x01;//sボックスで変換した10進数の値を2進数の値に直して配列fに代入する（これはok)
            }
        }
        for (j = 0; j < 8; j++){
            for (s = 0; s < 4; s++){
                R_txt[z] = f[p_t[j][s]] ^ L_txt[j];
                L_txt[z] = temp;

            }
        }
    }
    for (i = 0; i < 32; i++){
        for (j = 0; j < 32; j++){
            state_txt[i] = L_txt[j];
        }
    }
    for (i = 32; i < 64; i++){
        for (j = 32; j < 64; j++){
            state_txt[i] = L_txt[j];
        }
    }



    for (i = 0; i < 8; i++){
        for (j = 0; j < 8; j++){
            out_txt[z] = state_txt[final_t[i][j]];
            z++;
        }
    }



    //2進数64ビットのout_txtの値を10進数の8バイトの値に変換しEnc_fileに代入する
    for (i = 0; i < 8; i++){
        for (j = 0, h = 0; j < 8; j++){
            if (out_txt[8 * i + j] == 1){
                h ^= itb[j];
            }
        }
        Enc_file[i] = h;
    }

    return 0;
}

1．flagからどの暗号化方式かを判断。hira・pass・in_lengthに値が入っているか確認。入っていなければ，-1を返す．入っていれば次の処理に進む。
2．１で判断した暗号化方式にhira・ango・in_length・passを引数として呼び出す．戻り値が-1,-2,-3の場合呼び出した関数の戻り値を戻り値として返す．戻り値が0であれば次の処理に進む。
3．戻り値0を返す．

3.key_form()

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<sys\stat.h>

typedef unsigned char byte;
static int pc_1[8][7] = {
              { 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 } };

static int pc_2[8][6] = {
              { 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 } };

int key_form(byte password[8], int key[16][48]){
              int LS[] = { 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1 };
              int pass[64] = { 0 };
              int pass_pc1[56] = { 0 };
              int i = 0, j = 0, h = 0, k = 0, s = 0;

              if (password == NULL){
                            return -1;
              }


              for (i = 0; i < 8; i++){
                            for (j = 7; j >= 0; j--){
                                          h = password[i];
                                          h >>= (7 - j);
                                          h &= 0x01;
                                          pass[8 * i + j] = h;
                            }
              }

              for (i = 0; i < 8; i++){
                            for (j = 0; j < 7; j++){
                                          pass_pc1[7 * i + j] = pass[pc_1[i][j] - 1];
                            }
              }

              for (i = 0; i < 16; i++){
                            for (s = 0; s < LS[i]; s++){
                                          h = pass_pc1[0];
                                          k = pass_pc1[28];
                                          for (j = 0; j < 27; j++){
                                                        pass_pc1[j] = pass_pc1[j + 1];
                                                        pass_pc1[28 + j] = pass_pc1[29 + j];
                                          }
                                          pass_pc1[27] = h;
                                          pass_pc1[55] = k;
                            }
                            for (s = 0; s < 8; s++){
                                          for (j = 0; j < 6; j++){
                                                        key[i][6 * s + j] = pass_pc1[pc_2[s][j] - 1];
                                          }
                            }
              }

              return 0;
}

1．鍵入力の64bitに対して、鍵縮約転置を行いパリティ部分8bitを除く。
2．56bitになったデータを上位28bitと下位28bitに分ける
3．暗号化であれば左シフト、復号であれば右シフトを行い縮約転置をし、key配列に格納する。
4．この作業を16回繰り返す。
5．戻り値0を返す。

実際に平文を暗号化する

こちらは現在画像を張り付けれないので後日修正し、画像と説明を追加いたします。

おわりに

今回はDESの暗号化の特定のソースのみの掲載ですが、後々DES複合化・AES・TDESといったほかの暗号化、複合化の実装を行っていく予定です。（そのためencryption()ではflagで暗号化種類を分けるようにしています。）
随時更新していく予定です。
coming soon...

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