现代密码学实验报告.docx

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现代密码学实验报告

学生姓名

学号

专业班级

指导教师

学院信息科学与工程学院

完成时间2014年5月

实验一对称密码算法实验

[实验目的]

1.掌握密码学中经典的对称密码算法DES、AES、RC4的算法原理。

2.掌握DES、AES、RC4的算法流程和实现方法。

[实验预备]

1.DES算法有什么特点？

算法中的哪些结构保证了其混淆和扩散的特性？

答：

分组比较短、密钥太短、密码生命周期短、运算速度较慢。

采用替代和置换的方法简单有效地遵循了香农定理，替代操作通过S盒达到了混淆效果，置换操作通过P盒扩散效果。

2.AES算法的基本原理和特点。

答：

AES加密数据块分组长度必须为128比特，密钥长度可以是128比特、192比特、256比特中的任意一个（如果数据块及密钥长度不足时，会补齐）。

AES加密有很多轮的重复和变换。

大致步骤如下：

1、密钥扩展（KeyExpansion），2、初始轮（InitialRound），3、重复轮（Rounds），每一轮又包括：

SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey，4、最终轮（FinalRound），最终轮没有MixColumns。

3.流密码RC4的密钥流生成以及S盒初始化过程。

答：

RC4由伪随机数生成器和异或运算组成。

RC4的密钥长度可变，范围是[1,255]。

RC4一个字节一个字节地加解密。

给定一个密钥，伪随机数生成器接受密钥并产生一个S盒。

S盒用来加密数据，而且在加密过程中S盒会变化。

初始化长度为256的S盒。

第一个for循环将0到255的互不重复的元素装入S盒。

第二个for循环根据密钥打乱S盒。

下面i,j是两个指针。

每收到一个字节，就进行while循环。

通过一定的算法（（a）,（b））定位S盒中的一个元素，并与输入字节异或，得到k。

循环中还改变了S盒（（c））。

如果输入的是明文，输出的就是密文；如果输入的是密文，输出的就是明文。

[实验内容]

1.分析DES、AES、RC4、SHA的实现过程。

2.用程序设计语言将算法过程编程实现。

3.完成字符串数据的加密运算和解密运算

输入明文：

Idolikethisbook

输入密钥：

cryption

[实验步骤]

1.预习DES、AES、RC4算法。

2.写出算法流程，用程序设计语言将算法过程编程实现。

DES算法流程：

代码：

#include"memory.h"

#include"stdio.h"

#include

#include

#include

usingnamespacestd;

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

12,1,10,15,9,2,6,8,0,13,3,4,14,7,5,11,10,15,4,2,7,12,9,5,6,1,13,14,0,11,3,8,

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};

staticboolsubkey[16][48];

//16圈子密钥

voiddes_run（charout[8],charin[8],booltype）

{

staticboolm[64],tmp[32],*li=&m[0],*ri=&m[32];bytetobit（m,in,64）;

transform（m,m,ip_table,64）;

if（type==encrypt）

{

for（inti=0;i<16;i++）

{

memcpy（tmp,ri,32）;

f_func（ri,subkey[i]）;

xor（ri,li,32）;

memcpy（li,tmp,32）;

}

}else

{

for（inti=15;i>=0;i--）

{

memcpy（tmp,li,32）;

f_func（li,subkey[i]）;

xor（li,ri,32）;

memcpy（ri,tmp,32）;

}

}

transform（m,m,ipr_table,64）;

bittobyte（out,m,64）;

}

voiddes_setkey（constcharkey[8]）

{

staticboolk[64],*kl=&k[0],*kr=&k[28];

bytetobit（k,key,64）;

transform（k,k,pc1_table,56）;

for（inti=0;i<16;i++）

{

rotatel（kl,28,loop_table[i]）;

rotatel（kr,28,loop_table[i]）;

transform（subkey[i],k,pc2_table,48）;

}

}

voidf_func（boolin[32],constboolki[48]）

{

staticboolmr[48];

transform（mr,in,e_table,48）;

xor（mr,ki,48）;

s_func（in,mr）;

transform（in,in,p_table,32）;

}

voids_func（boolout[32],constboolin[48]）

{

for（chari=0,j,k;i<8;i++,in+=6,out+=4）

{

j=（in[0]<<1）+in[5];

k=（in[1]<<3）+（in[2]<<2）+（in[3]<<1）+in[4];

bytetobit（out,&s_box[i][j][k],4）;

}

}

voidtransform（bool*out,bool*in,constchar*table,intlen）

{

staticbooltmp[256];

for（inti=0;i

tmp[i]=in[table[i]-1];

memcpy（out,tmp,len）;

}

voidxor（bool*ina,constbool*inb,intlen）

{

for（inti=0;i

ina[i]^=inb[i];

}

voidrotatel（bool*in,intlen,intloop）

{

staticbooltmp[256];

memcpy（tmp,in,loop）;

memcpy（in,in+loop,len-loop）;

memcpy（in+len-loop,tmp,loop）;

}

voidbytetobit（bool*out,constchar*in,intbits）

{

for（inti=0;i

out[i]=（in[i/8]>>（i%8））&1;

}

voidbittobyte（char*out,constbool*in,intbits）

{

memset（out,0,（bits+7）/8）;

for（inti=0;i

out[i/8]|=in[i]<<（i%8）;

}

voidmain（）

{

stringstr;

puts（"*****************DES***********************"）;

cout<

puts（"pleaseinputyourwords"）;

cin>>str;

//getline（cin,str）;

printf（"\n"）;

charkey[8];

cout<<"pleaseinputyourkey（8）:

";

for（intp=0;p<=7;p++）

cin>>key[p];

des_setkey（key）;

intm=str.size（）;

intn=m/8+1;

str=str.substr（0,m）;

inti=0;

stringaw,mw;

for（n;n>0;n--）

{

char*str1=newchar[8];

stringtemp;

temp=str.substr（i,8）;

i=i+8;

strcpy（str1,temp.c_str（））;

des_run（str1,str1,encrypt）;

aw=aw+str1;

aw=aw.substr（0,m+6）;//m+1-->m+6

des_run（str1,str1,decrypt）;

mw=mw+str1;

stringtemp1;

strcpy（str1,temp1.c_str（））;

str1="";

temp="";

}

puts（"afterencrypting:

"）;

cout<

puts（"afterdecrypting:

"）;

cout<

}

AES算法流程图：

代码：

#include

#include

#include

#definenull0

constunsignedcharSbox[256]={//forwards-box

0x63,0x7c,0x77,0x7b,0xf2,0x6b,0x6f,0xc5,0x30,0x01,0x67,0x2b,0xfe,0xd7,0xab,0x76,

0xca,0x82,0xc9,0x7d,0xfa,0x59,0x47,0xf0,0xad,0xd4,0xa2,0xaf,0x9c,0xa4,0x72,0xc0,

0xb7,0xfd,0x93,0x26,0x36,0x3f,0xf7,0xcc,0x34,0xa5,0xe5,0xf1,0x71,0xd8,0x31,0x15,

0x04,0xc7,0x23,0xc3,0x18,0x96,0x05,0x9a,0x07,0x12,0x80,0xe2,0xeb,0x27,0xb2,0x75,

0x09,0x83,0x2c,0x1a,0x1b,0x6e,0x5a,0xa0,0x52,0x3b,0xd6,0xb3,0x29,0xe3,0x2f,0x84,

0x53,0xd1,0x00,0xed,0x20,0xfc,0xb1,0x5b,0x6a,0xcb,0xbe,0x39,0x4a,0x4c,0x58,0xcf,

0xd0,0xef,0xaa,0xfb,0x43,0x4d,0x33,0x85,0x45,0xf9,0x02,0x7f,0x50,0x3c,0x9f,0xa8,

0x51,0xa3,0x40,0x8f,0x92,0x9d,0x38,0xf5,0xbc,0xb6,0xda,0x21,0x10,0xff,0xf3,0xd2,

0xcd,0x0c,0x13,0xec,0x5f,0x97,0x44,0x17,0xc4,0xa7,0x7e,0x3d,0x64,0x5d,0x19,0x73,

0x60,0x81,0x4f,0xdc,0x22,0x2a,0x90,0x88,0x46,0xee,0xb8,0x14,0xde,0x5e,0x0b,0xdb,

0xe0,0x32,0x3a,0x0a,0x49,0x06,0x24,0x5c,0xc2,0xd3,0xac,0x62,0x91,0x95,0xe4,0x79,

0xe7,0xc8,0x37,0x6d,0x8d,0xd5,0x4e,0xa9,0x6c,0x56,0xf4,0xea,0x65,0x7a,0xae,0x08,

0xba,0x78,0x25,0x2e,0x1c,0xa6,0xb4,0xc6,0xe8,0xdd,0x74,0x1f,0x4b,0xbd,0x8b,0x8a,

0x70,0x3e,0xb5,0x66,0x48,0x03,0xf6,0x0e,0x61,0x35,0x57,0xb9,0x86,0xc1,0x1d,0x9e,

0xe1,0xf8,0x98,0x11,0x69,0xd9,0x8e,0x94,0x9b,0x1e,0x87,0xe9,0xce,0x55,0x28,0xdf,

0x8c,0xa1,0x89,0x0d,0xbf,0xe6,0x42,0x68,0x41,0x99,0x2d,0x0f,0xb0,0x54,0xbb,0x16};

constunsignedcharISbox[256]={//inverses-box

0x52,0x09,0x6a,0xd5,0x30,0x36,0xa5,0x38,0xbf,0x40,0xa3,0x9e,0x81,0xf3,0xd7,0xfb,

0x7c,0xe3,0x39,0x82,0x9b,0x2f,0xff,0x87,0x34,0x8e,0x43,0x44,0xc4,0xde,0xe9,0xcb,

0x54,0x7b,0x94,0x32,0xa6,0xc2,0x23,0x3d,0xee,0x4c,0x95,0x0b,0x42,0xfa,0xc3,0x4e,

0x08,0x2e,0xa1,0x66,0x28,0xd9,0x24,0xb2,0x76,0x5b,0xa2,0x49,0x6d,0x8b,0xd1,0x25,

0x72,0xf8,0xf6,0x64,0x86,0x68,0x98,0x16,0xd4,0xa4,0x5c,0xcc,0x5d,0x65,0xb6,0x92,

0x6c,0x70,0x48,0x50,0xfd,0xed,0xb9,0xda,0x5e,0x15,0x46,0x57,0xa7,0x8d,0x9d,0x84,

0x90,0xd8,0xab,0x00,0x8c,0xbc,0xd3,0x0a,0xf7,0xe4,0x58,0x05,0xb8,0xb3,0x45,0x06,

0xd0,0x2c,0x1e,0x8f,0xca,0x3f,0x0f,0x02,0xc1,0xaf,0xbd,0x03,0x01,0x13,0x8a,0x6b,

0x3a,0x91,0x11,0x41,0x4f,0x67,0xdc,0xea,0x97,0xf2,0xcf,0xce,0xf0,0xb4,0xe6,0x73,