DES分组加密实验报告课案.docx

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DES分组加密实验报告课案

DES分组密码实验报告

一、DES算法的实现

1．DES简介

DES算法工作：

如Mode为加密，则用Key去把数据Data进行加密，生成Data的密码形式（64位）作为DES的输出结果；如Mode为解密，则用Key去把密码形式的数据Data解密，还原为Data的明码形式（64位）作为DES的输出结果。

在通信网络的两端，双方约定一致的Key，在通信的源点用Key对核心数据进行DES加密，然后以密码形式在公共通信网（如电话网）中传输到通信网络的终点，数据到达目的地后，用同样的Key对密码数据进行解密，便再现了明码形式的核心数据。

这样，便保证了核心数据（如PIN、MAC等）在公共通信网中传输的安全性和可靠性。

2.DES算法详述

（1）DES加密标准

DES是对二元数字分组加密的分组密码算法，分组长度为64比特。

每64位明文加密成64位密文，没有数据压缩和扩展，密钥长度为56比特，若输入64比特，则第8，16，24，32，40，48，56，64为奇偶校验位，所以，实际密钥只有56位。

DES算法完全公开，其保密性完全依赖密钥。

DES的加密过程可表示为：

DES（m）=IP-1T16·T15…T2·T1·IP（m）.

右图面是完全16轮DES算法框图：

图1完全16轮DES算法

1初始置换IP

初始置换是将输入的64位明文分为8个数组，每一组包括8位，按1至64编号。

IP的置换规则如下表：

表1IP置换规则

58

50

42

34

26

18

10

2

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52

44

36

28

20

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54

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38

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56

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59

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3

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53

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37

29

21

13

5

63

55

47

39

31

23

15

7

2IP-1是IP的逆置换

由于第1位经过初始置换后，已处于第40位。

逆置换就是再将第40位换回到第1位。

逆置换规则如下表所示：

表2IP-1置换

40

8

48

16

56

24

64

32

39

7

47

15

55

23

63

31

38

6

46

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54

22

62

30

37

5

45

13

53

21

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29

36

4

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28

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19

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27

34

2

42

10

50

18

58

26

33

1

41

9

49

17

57

25

初始置换IP及其逆置换IP-1并没有密码学意义，因为置换前后的一一对应关系是已知的。

它们的作用在于打乱原来输入明文的ASCⅡ码字划分的关系，并将原来明文的第m8，m16，m24，m32，m40，m48，m56，m64位（校验位）变成IP的输出的一个字节。

3.DES算法的迭代过程

图中Li-1和Ri-1分别是第i-1次迭代结果的左右两部分，各32比特。

即Li=Ri-1,Ri=Li-1 f（Ri-1,ki）。

其中轮密钥Ki为48比特，函数F（R,K）的计算过程如图所示。

轮输入的右半部分R为32比特，R首先被扩展成48比特，扩展过程由表3定义，其中将R的16个比特各重复一次。

扩展后的48比特再与子密钥Ki异或，然后再通过一个S盒，产生32比特的输出。

该输出再经过一个由表4定义的置换，产生的结果即为函数F（R,K）的输出。

32

1

2

3

4

5

4

5

6

7

8

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8

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24

25

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29

28

29

30

31

32

1

表3扩展E

ki是由64比特的初始密钥（亦称种子密钥）导出的第i轮子密钥，ki是48比特

DES算法的关键是f（Ri-1,ki）的功能，其中的重点又在S-盒（SubstitutionBoxes）上。

F函数的输出是32比特。

图3F函数计算过程图

将R经过一个扩展运算E变为48位，记为E（R）。

计算E（R）

K=B，对B施行代换S，此代换由8个代换盒组成，即S-盒。

每个S-盒有6个输入，4个输出，将B依次分为8组，每组6位，记B=B1B2B3B4B5B6B7B8其中Bj作为第j个S-盒的输入，其输出为Cj，C=C1C2C3C4C5C6C7C8就是代换S的输出，所以代换S是一个48位输入，32位输出的选择压缩运算，将结果C再实行一个置换P（表4），即得F（R,K）。

其中，扩展运算E与置换P主要作用是增加算法的扩散效果。

S-盒是DES算法中唯一的非线性部件，当然也就是整个算法的安全性所在。

它的设计原则与过程一直因为种种不为人知的因素所限，而未被公布出来。

S-盒如下表：

表4S-盒函数

S1

14

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1

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7

0

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7

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6

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9

5

3

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8

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6

2

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9

7

3

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5

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12

8

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5

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3

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0

6

13

S2

15

1

8

14

6

11

3

4

9

7

2

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5

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3

13

4

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13

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3

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4

2

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6

7

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0

5

14

9

S3

10

0

9

14

6

3

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5

1

13

12

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2

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7

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6

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8

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7

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8

7

4

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3

11

5

2

12

S4

7

13

14

3

0

6

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10

1

2

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7

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1

3

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5

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4

3

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0

6

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1

13

8

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4

5

11

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7

2

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S5

2

12

4

1

7

10

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6

8

5

3

15

13

0

14

9

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2

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4

7

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1

5

0

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3

9

8

6

4

5

1

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7

8

15

9

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5

6

3

0

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11

8

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7

1

14

2

13

6

15

0

9

10

4

5

3

S6

12

1

10

15

9

2

6

8

0

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3

4

14

7

5

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4

2

7

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0

11

3

8

9

14

15

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4

10

1

13

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6

4

3

2

12

9

5

15

10

11

14

1

7

6

0

8

13

S7

4

11

2

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0

8

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3

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7

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10

6

1

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0

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7

4

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3

5

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2

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1

4

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3

7

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6

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0

5

9

2

6

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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

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5

0

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7

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8

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3

7

4

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5

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0

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9

2

7

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4

1

9

12

14

2

0

6

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3

5

8

2

1

14

7

4

10

8

13

15

12

9

0

3

5

6

11

S-盒的置换规则为：

取{0，1，…，15}上的4个置换，即它的4个排列排成4行，得一4*16矩阵。

若给定该S盒的6个输入为b0b1b2b3b4b5,在Si表中找出b0b5行，b1b2b3b4列的元素，以4位二进制表示该元素，此为S-盒Si的输出。

例1  S2的输入为101011，

                                     b1=1，b6=1，b1b6=（11）2=3

                                     （b2b3b4b5）2=（0101）2=5

查S2表可知第3行第5列的输出是15，15的二进制表示为1111。

则S2的输出为1111。

8个S-盒的代换方式都是一样的。

S盒输出的32比特经P置换，P置换的功能是将32位的输入，按以下顺序置换，然后输入仍为32比特。

P置换的顺序如表5：

表5置换P

16

7

20

21

29

12

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1

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23

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5

18

31

10

2

8

24

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3

9

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13

30

6

22

11

4

25

4子密钥的生成

图4DES子密钥生成流程图

图4给出了子密钥产生的流程图。

首先对初始密钥经过置换PC-1（表2.6[7]），将初始密钥的8个奇偶校验位剔除掉，而留下真正的56比特初始密钥。

表3.6密钥置换PC-1

57

49

41

33

25

17

9

1

58

50

42

34

26

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10

2

59

51

43

35

27

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3

60

52

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47

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7

62

54

46

38

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22

14

6

61

53

45

37

29

21

13

5

28

20

12

4

然后将此56位分为C0，D0两部分，各28比特，C0，D0如下：

C0=k57k49……k44k36

D0=k63k55……k12k4

然后分别进行一个循环左移函数LS1，得到C1，D1，将C1（28位）,D1（28位）连成56比特数据，再经过密钥置换PC-2（表7）做重排动作，从而便得到了密钥K1（48位）。

依次类推，便可得到K2，K3……K16。

表7密钥置换PC-2

14

17

11

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1

5

3

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15

6

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8

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47

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48

44

49

39

56

34

53

46

42

50

36

29

32

其中LS1（1≤i≤16）表示一个或两个位置的循环左移，当i=1，2，9，16时，移一个位置，当i=3，4，5，6，7，8，10，11，12，13，14，15时，移两个位置。

（2）DES算法的解密过程

DES算法的解密过程跟加密过程是一样的，区别仅仅在于第一次迭代时用密钥k16，第二次k15、……，最后一次用k1，算法本身没有任何变化。

二、源代码

#include"memory.h"

#include"stdio.h"

enum {encrypt,decrypt};//ENCRYPT:

加密，DECRYPT：

解密

voiddes_run（charout[8],charin[8],booltype=encrypt）;

//设置密钥

voiddes_setkey（constcharkey[8]）;

staticvoidf_func（boolin[32],constboolki[48]）;//f函数

staticvoids_func（boolout[32],constboolin[48]）;//s盒代替

//变换

staticvoidtransform（bool*out,bool*in,constchar*table,intlen）;

staticvoidxor（bool*ina,constbool*inb,intlen）;//异或

staticvoidrotatel（bool*in,intlen,intloop）;//循环左移

 //字节组转换成位组

staticvoidbytetobit（bool*out,constchar*in,intbits）;

//位组转换成字节组

staticvoidbittobyte（char*out,constbool*in,intbits）;

//置换IP表

conststaticcharip_table[64]={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};

//逆置换IP-1表

conststaticcharipr_table[64]={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};

//E位选择表

staticconstchare_table[48]={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换位表

conststaticcharp_table[32]={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};

//pc1选位表

conststaticcharpc1_table[56]={

                             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

};

//pc2选位表

conststaticcharpc2_table[48]={

                                  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

};

//左移位数表

conststaticcharloop_table[16]={1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1};

//S盒

conststaticchars_box[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,