DES加密解密算法的C++实现实验报告.docx

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DES加密解密算法的C++实现实验报告

分组密码实验报告

一、DES算法的实现

1．DES简介

本世纪五十年代以来，密码学研究领域出现了最具代表性的两大成就。

其中之一就是1971年美国学者塔奇曼（Tuchman）和麦耶（Meyer）根据信息论创始人香农（Shannon）提出的“多重加密有效性理论”创立的，后于1977年由美国国家标准局颁布的数据加密标准。

DES密码实际上是Lucifer密码的进一步发展。

它是一种采用传统加密方法的区组密码。

它的算法是对称的，既可用于加密又可用于解密。

美国国家标准局1973年开始研究除国防部外的其它部门的计算机系统的数据加密标准，于1973年5月15日和1974年8月27日先后两次向公众发出了征求加密算法的公告。

加密算法要达到的目的通常称为DES密码算法要求主要为以下四点：

提供高质量的数据保护，防止数据XX的泄露和未被察觉的修改；具有相当高的复杂性，使得破译的开销超过可能获得的利益，同时又要便于理解和掌握DES密码体制的安全性应该不依赖于算法的保密，其安全性仅以加密密钥的保密为基础实现经济，运行有效，并且适用于多种完全不同的应用。

1977年1月，美国政府颁布：

采纳IBM公司设计的方案作为非机密数据的正式数据加密标准（DES枣DataEncryptionStandard）。

目前在这里，随着三金工程尤其是金卡工程的启动，DES算法在POS、ATM、磁卡及智能卡（IC卡）、加油站、高速公路收费站等领域被广泛应用，以此来实现关键数据的保密，如信用卡持卡人的PIN的加密传输，IC卡与POS间的双向认证、金融交易数据包的MAC校验等，均用到DES算法。

DES算法的入口参数有三个：

Key、Data、Mode。

其中Key为8个字节共64位，是DES算法的工作密钥；Data也为8个字节64位，是要被加密或被解密的数据；Mode为DES的工作方式，有两种：

加密或解密。

DES算法是这样工作的：

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。

通过定期在通信网络的源端和目的端同时改用新的Key，便能更进一步提高数据的保密性，这正是现在金融交易网络的流行做法。

2.DES算法详述

（1）DES加密标准

现如今，依靠Internet的分布式计算能力，用穷举密钥搜索攻击方法破译已成为可能。

数据加密标准DES已经达到它的信任终点。

但是作为一种Feistel加密算法的例子仍然有讨论的价值。

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。

它的缺点就在于密钥太短。

设明文串m=m1m2…m64；密钥串k=k1k2…k64。

在后面的介绍中可以看到k8,k16,k24,k32,k40,k48,k56,k64实际上是不起作用的。

DES的加密过程可表示为：

DES（m）=IP-1T16·T15…T2·T1·IP（m）.

下面是完全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

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

即将输入的第58位换到第1位，第50位换到第2位……，依次类推，最后一位是原来的第7位。

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

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

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2DES算法的迭代过程图

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1.5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。

表3扩展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

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20

21

20

21

22

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24

25

24

25

26

27

28

29

28

29

30

31

32

1

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

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

5

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

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

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

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

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

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

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、DES算法用C++语言实现

1.设置密钥函数des_setkey（）

此函数的功能是由64比特的密钥产生16个子密钥ki。

首先将密钥字节组key[8]转换为64比特的位组，然后进行密钥变换PC-1（祥见PC-1置换表）,置换后得到56比特的密钥，把变换后的密钥等分成两部分,前28位记为C0, 后28位记为D0。

将C0，D0进行LS1运算，LS1是循环左移运算。

得到C1，D1，最后将其进行PC-2置换（见PC-2置换表），得到子密钥k1.然后依次按循环左移LSi（I=2~16，循环次数见循环左移规则），PC-2置换得到k2~k16。

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

2.f函数和S函数f_func（）和s_func（）

此函数的功能是DES算法的关键，f是将32比特的输入转化为32比特的输出。

这个两个函数中主要用到以下函数：

（1）transform（）

此函数是通用置换函数，根据具体情况确定要执行哪种置换。

在f函数中，先用于E置换，然后进行P置换。

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

{

   staticbooltmp[256];

   for（inti=0;i

          tmp[i]=in[table[i]-1];

   memcpy（out,tmp,len）;

}

（2）e_table（）

E置换表，作用是将32比特的输入扩展为48比特。

E输出的48比特的数据跟生成的子密钥进行异或运算，然后把得到的48比特的数据按顺序分成8组，每组6比特，分别通过S1,S2,……，S8盒后又缩为32比特，即每盒输入为6比特，输出为4比特。

将输出的32比特的数据经P置换，最后得到32比特的数据。

staticconstchare_table[48]={32，1，2，3，4，5，4，5，6，7，8，9，8，9，10，11，12，11，12，13，14，15，16，17，16，17，18，19，20，21，20，21，22，23，24，25，24，25，26，27，28，29，28，29，30，31，32，1}。

（3）s_box

   S盒。

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）;

   }

}

（4）p_table（）

P置换表。

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}。

（5）xor（）

此函数的功能是进行异或运算，异或运算是按位作不进位加法运算。

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

{

      for（inti=0;i

             ina[i]^=inb[i];

}

（6）bytetobit（）

此函数的功能是将输入的字节组转换为位组。

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

{

      for（inti=0;i

             out[i]=（in[i/8]>>（i%8））&1;

}

与此相关的还有函数ttobyte（）

此函数的功能是将位组转换字节组。

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

{

      memset（out,0,（bits+7）/8）;

      for（inti=0;i

             out[i/8]|=in[i]<<（i%8）;

}

3.DES算法的运行函数des_run（）

这个函数整个算法运行程序的最主要部分。

这个函数用于加密还是解密取决于type的类型，如果type为encrypt,则进行加密；如果type的类型为decrypt，则进行解密。

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]）;