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f(Ri-1,ki);
这里ki称为轮密钥,是56比特输入密钥的一个48比特字串,f称为S盒函数(S表示交换),是一个代换密码,目的是获得很大程度的信息扩散。
(3)将十六轮迭代后得到的结果(L16,R16)输入到IP的逆置换来消除初始置换的影响,这一步的输出就是DES算法的输出,即输出分组=IP-1(R16,L16),此处在输入IP-1之前,16轮迭代输出的两个半分组又进行了一次交换。
DES的加密与解密算法都是用上述三个步骤,不同的是如果在加密算法中使用的轮密钥为k1,k2,…,k16,则解密算法中的轮密钥就应当是k16,k15,…,k1,可记为(k1`,k2`,…,k16`)=(k16,k15,…,k1)。
DES算法的一轮迭代处理过程如下图所示。
DES的计算过程如下图所示。
在加密密钥k下,将明文消息m加密为密文c,使用DES将c在k下解密为明文,解密过程如下:
(L0`,R0`)=IP(c)=IP(IP-1(R16,L16)),即(L0`,R0`)=(R16,L16);
在第一轮中,L1`=R0`=L16=R15,R1`=L0`
f(R0`,k1`)=R16
f(L16,k1`)=[L16
f(R15,k16)]
f(R15,k16)=L15,即(L1`,R1`)=(R15,L15);
同样的,在接下来的15轮迭代中,可以得到(L2`,R2`)=(R14,L14),……,(L16`,R16`)=(R0,L0);
最后一轮结束后,交换L16`和R16`,即(R16`,L16`)=(L0,R0),IP-1(L0,R0)=IP-1(IP(m))=m,解密成功。
实验内容:
采用自己熟悉的编程语言实现DES加密算法,重点阐述实现细节:
包括重要的数据结构,程序架构,测试样例,调试过程等。
实验步骤与结果:
本次实验使用JAVA作为实现语言
重要的数据结构:
本次实验采用boolean数组来表示位数组,提供位级别的操作
采用int数组来存储各种置换表
程序架构:
Const文件里放置了各种盒和置换表
DES_Native文件是主要是算法
用了一些自己写的辅助函数:
memcpy、memset、bitToByte、byteToBit、Xor、Transform、RotateL
各自的作用我已经在javadoc里写明
核心的算法函数:
S_func(S盒替代算法)、F_func(F函数)、Des_Run(分块、调用其他三个函数)、getKeys(密钥调度算法)、generateMainKey(产生一个随机的主密钥)
主函数:
主要实现文件读写
代码:
文件Const.JAVA
/**
*存储DES的一些固定数据
*/
classConst{
staticfinalint[]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
};
//初始置换
staticfinalint[]ANTI_IP={
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
//最终置换
staticfinalint[]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
//扩张函数
staticfinalint[]P={
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
//P置换
staticfinalint[]PC_1={
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
//选择置换1
staticfinalint[]PC_2={
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
//选择置换2
staticfinalint[]KEY_MOVE={
1,1,
2,2,2,2,2,2,
1,
1
//密钥调度的移位
staticfinalbyte[]S_PLATE={
//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
//S盒
}
文件DES_Native.JAVA
*原生JAVA实现的DES算法
importjavax.crypto.KeyGenerator;
importjavax.crypto.SecretKey;
importjava.security.NoSuchAlgorithmException;
importjava.security.SecureRandom;
//上面四个库用于产生随机的主密钥与主算法无关
importjava.io.File;
importjava.io.FileInputStream;
importjava.io.FileOutputStream;
importjava.util.Objects;
publicclassDES_Native{
privatestaticfinalStringDES="
DES"
;
privatestaticfinalintNUM_OF_BITS_OF_KEY=64;
//主密钥长
privatestaticfinalintMAX_BIT_NUM=256;
//最大位长
privatestaticfinalintNUM_OF_SUB_KEY=16;
//子密钥有16个
privatestaticfinalintUSED_LENGTH_OF_KEY=56;
//实际使用的密钥长也是选择置换表的长度
privatestaticfinalStringENCODE="
Encode"
//加密模式
privatestaticfinalStringDECODE="
Decode"
//解密模式
privatestaticbyte[]mainKey=null;
//主密钥
privatestaticboolean[][]subKey=newboolean[NUM_OF_SUB_KEY][USED_LENGTH_OF_KEY];
//子密钥组
/**
*逐位拷贝
*
*@paramout目标位数组
*@paramin源位数组
*@paramlength位的长度
privatestaticvoidmemcpy(boolean[]out,boolean[]in,intlength){
//for(inti=0;
i<
length;
i++){
//out[i]=in[i];
//}
System.arraycopy(in,0,out,0,length);
}
*逐位拷贝指定起点
*@paraminBegin源数组起始位置
*@paramoutBegin目标数组起始位置
*@paramlength拷贝长度
privatestaticvoidmemcpy(boolean[]out,boolean[]in,intoutBegin,intinBegin,intlength){
//for(inti=0;
i<
length;
i++){
//out[outBegin+i]=in[inBegin+i];
System.arraycopy(in,inBegin,out,outBegin,length);
*将out前n个字节置为b
*@paramout操作的目标boolean数组
*@parambtrue或者false
*@paramn置位长度
privatestaticvoidmemset(byte[]out,intb,intn){
for(inti=n-1;
i>
=0;
i--){
out[i]=(byte)b;
*字节组转换成位组
*@paramout转化成的位数组
*@paramin待转换的字节数组(java用byte一个元素占一个字节,也就是8个二进制位)
*@parambits总共多少位
privatestaticvoidbyteToBit(boolean[]out,byte[]in,intbits){
inttemp;
for(inti=0;
bits;
temp=(in[i/8]>
>
(i%8))&
1;
out[i]=temp!
*位数组转字节数组
*@paramout输出的字节数组
*@paramin输入的位数组
*@parambits位数组的位数
privatestaticvoidbitToByte(byte[]out,boolean[]in,intbits){
memset(out,0,(bits+7)/8);
//前(bits+7)/8位置0
temp=in[i]?
1:
0;
out[i/8]|=temp<
<
(i%8);
*按位异或
*@parama位数组1
*@paramb位数组2
*@paramlen位数组3
privatestaticvoidXor(boolean[]a,boolean[]b,intlen){
len;
a[i]^=b[i];
*用置换表进行置换
*@paramout置换后的密钥数组
*@paramin置换前的密钥数组
*@paramtable置换表
*@paramlength置换表长度
privatestaticvoidTransform(boolean[]out,boolean[]in,int[]table,intlength){
boolean[]temp=newboolean[MAX_BIT_NUM];
temp[i]=in[table[i]-1];
memcpy(out,temp,length);
//回写
*左移一个数组
*@paramIn要操作的数组
*@paramstart从数组的哪一位开始移动
*@paramlen移动的部分的长度这里是28
*@paramloop移动的位移的长度根据移动表来
privatestaticvoidRotateL(boolean[]In,intstart,intlen,intloop){
//start决定了是左半部分(start=0)还是右半部分(start=28)
memcpy(temp,In,0,start,loop);
//先把头loop位存到tmp
memcpy(In,In,start,start+loop,len-loop);
//把尾部len-loop位移动到头部
memcpy(In,temp,start+len-loop,0,loop);
//再把loop位接到尾部
*生成DES的64位主密钥(8bytes)用8长度的byte数组表示
*@throwsNoSuchAlgorithmException没有这种算法导致的异常
privatestaticvoidgenerateMainKey()throwsException{
SecureRandomsr=newSecureRandom();
//生成一个可信任的随机数据源
KeyGeneratorkg=KeyGenerator.getInstance(DES);
//由工厂方法得到一个KeyGenerator
kg.init(sr);
//初始化这个KeyGenerator对象
SecretKey_key;
_key=kg.generateKey();
//生成密匙
mainKey=_key.getEncoded();
//Key为8个字节共64位
*密钥调度算法生成16*48boolean数组的密钥
privatestaticvoidgetKeys(){
boolean[]K=newboolean[NUM_OF_BITS_OF_KEY];
//Key转化为的boolean数组
byteToBit(K,mainKey,NUM_OF_BITS_OF_KEY);
//字节组转换成位组
Transform(K,K,Const.PC_1,USED_LENGTH_OF_KEY);
//选择置换1
subKey.length;
RotateL(K,0,USED_LENGTH_OF_KEY/2,Const.KEY_MOVE[i]);
//K的左半部分循环左移
RotateL(K,USED_LENGTH_OF_KEY/2,USED_LENGTH_OF_KEY/2,Const.KEY_MOVE[i]);
//K的右半部分循环左移
Transform(subKey[i],K,Const.PC_2,Const.PC_2.length);
*S盒代替,输入6位的数,输出4位的数,将第一六位对应的十进制数作为行,第二三四五为的对应十进制数作为列
*@paramin输入6位(48bits)
*@paramout输出4位(32bits)
privatestaticvoidS_func(boolean[]out,boolean[]in){
intinIndex=0;
intoutIndex=0;
bytei=0;
bytej,k,tmp1,tmp2,tmp3,tmp4;
byte[]tmp=newbyte[4];
for(;
8;
i++,inIndex+=6,outIndex+=4){
tmp1=(byte)((in[inIndex]?
0)<
1);
tmp2=(byte)((in[inIndex+5]?
0));
j=(byte)(tmp1+tmp2);
tmp1
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