简介

PRESENT加密算法在2007 年由来自德国波鸿鲁尔大学的 Bogdanov 在 CHES 会议中发表。PRESENT加密算法为一种轻量级分组密码算法，采用了 置换网络(SPN)结构，一共迭代 31 轮，分块（组）长度为 64 比特位（位），密钥长度支持 80 比特位和 128比特位。PRESENT 密码算法在硬件实现上具有极高的效率且需要较少的逻辑单元。在实际使用中密钥长度通常一般采用80 比特位。本文也以80位比特密钥来实现PRESENT。

加密流程

如图PRESENT加密一共有31轮，每轮有3个操作，轮密钥加，字节代换，P置换，在最后输出时再进行一次白化操作，得到最后的密文。

密钥扩展

每次使用的密钥即与明文进行轮密钥加异或操作的为密钥的高$64$位，即$K_{63}{K}_{62}\cdots K_0=k_{79}{k}_{78}\cdots k_{16}$
密钥扩展流程如下：
上一轮的密钥为
$$k_{79}{k}_{78}\cdots k_1{k}_0$$
循环左移$61$位，即向高位方向循环移动$61$位变为：
$$[k_{79}{k}_{78}\cdots k_1{k}_0]=[k_{18}{k}_{17}\cdots k_0{k}_{79}{k}_{78}\cdots k_{19}]$$
循环左移结束后对最高位的半字节即$4$位进行字节代换：
$$[k_{79}{k}_{78}{k}_{77}{k}_{76}]=S[k_{79}{k}_{78}{k}_{77}{k}_{76}]$$
对其中的$k_{19}{k}_{18}{k}_{17}{k}_{16}{k}_{15}$与加密轮数计数器$round\_counter$($round\_counter\in 1\sim 31$)进行异或：
$$[k_{19}{k}_{18}{k}_{17}{k}_{16}{k}_{15}]=[k_{19}{k}_{18}{k}_{17}{k}_{16}{k}_{15}]\oplus round\_counter$$

用$c++$实现时，对于明文和密钥的数据结构我都使用的$bitset$进行，$bitset$支持对二进制位直接以下标访问，并支持位运算。
第一步中的循环左移我们可以我们对密钥$key$左移$61$和右移$19$的结果按位或后得到，其他的我们按照规则直接模拟即可。

void keyUpdate(bitset<80> &key,bitset<5> rc)
{
    key = (key<<61)|(key>>19);
    bitset<4> s=s_box[(key[79]<<3)+(key[78]<<2)+(key[77]<<1)+key[76]];//左移的优先级比加减要低所以要加括号
    key[79]=s[3];
    key[78]=s[2];
    key[77]=s[1];
    key[76]=s[0];
    key[19]=key[19]^rc[4];
    key[18]=key[18]^rc[3];
    key[17]=key[17]^rc[2];
    key[16]=key[16]^rc[1];
    key[15]=key[15]^rc[0];
}

轮密钥加

轮密钥加，将加密的中间状态$state$与密钥的高$64$位进行异或后输出：
$$stat{e}_i=stat{e}_i\oplus ke{y}_i$$
所以我们有代码：

void addRoundKey(bitset<64> &state,const bitset<80>key)
{
    for(int i=0; i<64; i++)
        state[63-i]=state[63-i]^key[79-i];
}

字节代换

字节代换是将输入的$4$位二进制传入$SBOX$中，以对应下标输出$SBOX$中的值，其为非线性变化。在PRESENT中以每一个半字节即$4$位为一组进行字节代换，假设中间状态$state$为$b_{63}{b}_{62}\cdots b_0$，可以看作$16$个半字节数据即$w_{15}{w}_{14}\cdots w_0$，其中$w_i=b_{4\ast i+3}{b}_{4\ast i+2}{b}_{4\ast i+1}{b}_{4\ast i}$。经过字节代换后输出为$S[w_i]$。
加密时的$S$盒如下：

x	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
S[x]	0xC	0x5	0x6	0xB	0x9	0x0	0xA	0xD	0x3	0xE	0xF	0x8	0x4	0x7	0x1	0x2

解密时的$Inv\_S$盒如下：

x	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
S[x]	0x5	0xE	0xF	0x8	0xC	0x1	0x2	0xD	0xB	0x4	0x6	0x3	0x0	0x7	0x9	0xA

bitset<4> s_box[16]= {0xC,0x5,0x6,0xB,0x9,0x0,0xA,0xD,0x3,0xE,0xF,0x8,0x4,0x7,0x1,0x2};
bitset<4> inv_s_box[16]= {0x5,0xE,0xF,0x8,0xC,0x1,0x2,0xD,0xB,0x4,0x6,0x3,0x0,0x7,0x9,0xA};

可以得到加密时的字节代换代码：

void SubByte(bitset<64> &state)
{
    for(int i=0; i<64; i+=4)
    {
        bitset<4> s=s_box[state[i]+(state[i+1]<<1)+(state[i+2]<<2)+(state[i+3]<<3)];
        state[i]=s[0];
        state[i+1]=s[1];
        state[i+2]=s[2];
        state[i+3]=s[3];
    }
}

可以得到解密时的逆字节代换为：

void InvSubByte(bitset<64> &state)
{
    for(int i=0; i<64; i+=4)
    {
        bitset<4> s=inv_s_box[state[i]+(state[i+1]<<1)+(state[i+2]<<2)+(state[i+3]<<3)];
        state[i]=s[0];
        state[i+1]=s[1];
        state[i+2]=s[2];
        state[i+3]=s[3];
    }
}

P置换

$P$置换实际上为位移操作，$P$置换可以用查表的方式也可以直接使用公式，我这里直接使用公式有：
$$P[i]=\{\begin{array}{cc}16\times i\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}63& 0\le i\le 63\\ 63& i=63\end{array}$$
即有加密时$P$置换为(以当前状态$state$为例)：
$$state[i\times 16\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}63]=\{\begin{array}{cc}state[i]& 0\le i\le 63\\ state[63]& i=63\end{array}$$
解密时$P$置换为：
$$state[i]=\{\begin{array}{cc}state[i\times 16\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}63]& 0\le i\le 63\\ state[63]& i=63\end{array}$$
可以得到加密时代码：

void PSub(bitset<64> &state)
{
    bitset<64> tmp(0);
    for(int i=0; i<63; i++)
        tmp[i*16%63]=state[i];
    tmp[63]=state[63];
    state=tmp;
}

解密时代码：

void InvPSub(bitset<64> &state)
{
    bitset<64> tmp(0);
    for(int i=0; i<63; i++)
        tmp[i]=state[i*16%63];
    tmp[63]=state[63];
    state=tmp;
}

整体代码

我们将整个过程进行整合一下就可以得到不超过$100$行的代码了。

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
bitset<4> s_box[16]= {0xC,0x5,0x6,0xB,0x9,0x0,0xA,0xD,0x3,0xE,0xF,0x8,0x4,0x7,0x1,0x2};
bitset<4> inv_s_box[16]= {0x5,0xE,0xF,0x8,0xC,0x1,0x2,0xD,0xB,0x4,0x6,0x3,0x0,0x7,0x9,0xA};
void addRoundKey(bitset<64> &state,const bitset<80>key)
{
    for(int i=0; i<64; i++)
        state[63-i]=state[63-i]^key[79-i];
}
void SubByte(bitset<64> &state)
{
    for(int i=0; i<64; i+=4)
    {
        bitset<4> s=s_box[state[i]+(state[i+1]<<1)+(state[i+2]<<2)+(state[i+3]<<3)];
        state[i]=s[0];
        state[i+1]=s[1];
        state[i+2]=s[2];
        state[i+3]=s[3];
    }
}
void InvSubByte(bitset<64> &state)
{
    for(int i=0; i<64; i+=4)
    {
        bitset<4> s=inv_s_box[state[i]+(state[i+1]<<1)+(state[i+2]<<2)+(state[i+3]<<3)];
        state[i]=s[0];
        state[i+1]=s[1];
        state[i+2]=s[2];
        state[i+3]=s[3];
    }
}
void PSub(bitset<64> &state)
{
    bitset<64> tmp(0);
    for(int i=0; i<63; i++)
        tmp[i*16%63]=state[i];
    tmp[63]=state[63];
    state=tmp;
}
void InvPSub(bitset<64> &state)
{
    bitset<64> tmp(0);
    for(int i=0; i<63; i++)
        tmp[i]=state[i*16%63];
    tmp[63]=state[63];
    state=tmp;
}
void keyUpdate(bitset<80> &key,bitset<5> rc)
{
    key = (key<<61)|(key>>19);
    bitset<4> s=s_box[(key[79]<<3)+(key[78]<<2)+(key[77]<<1)+key[76]];
    key[79]=s[3];
    key[78]=s[2];
    key[77]=s[1];
    key[76]=s[0];
    key[19]=key[19]^rc[4];
    key[18]=key[18]^rc[3];
    key[17]=key[17]^rc[2];
    key[16]=key[16]^rc[1];
    key[15]=key[15]^rc[0];
}
bitset<64> encrypt(bitset<64> state,bitset<80> key)
{
    for(int RC=1; RC<32; RC++)
    {
        addRoundKey(state,key);
        SubByte(state);
        PSub(state);
        keyUpdate(key,RC);
    }
    addRoundKey(state,key);
    return state;
}
bitset<64> decrypt(bitset<64> state,bitset<80> key)
{
    vector<bitset<80> >k;
    k.push_back(key);
    for(int i=1;i<32;i++)
    {
        keyUpdate(key,i);
        k.push_back(key);
    }
    for(int i=31; i>=1; i--)
    {
        addRoundKey(state,k[i]);
        InvPSub(state);
        InvSubByte(state);
    }
    addRoundKey(state,k[0]);
    return state;
}
int main()
{
    bitset<64> plain = 0;
    bitset<80> key = 0;
    bitset<64> cipher = encrypt(plain,key);
    cout<<cipher<<endl;
    cout<<decrypt(cipher,key)<<endl;
   return 0;
}
//5579c1387b228445

用密文为$0$和密钥为$0$测试时加密二进制结果从高位到低位输出为：
$0101010101111001110000010011100001111011001000101000010001000101$
其化为$16$进制为：
$$0x5579c1387b228445$$

    for(int i=15;i>=0;i--)
        printf("%x",((cipher[i*4+3]<<3)+(cipher[i*4+2]<<2)+(cipher[i*4+1]<<1)+cipher[i*4]));