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1、#DES加密解密算法的C+实现实验评测报告 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

2、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Data Encryption Standard）。 目前在这里，随着三金项目尤其是金卡项目的启动，DES算法在POS、ATM、磁

3、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

4、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= IP-1T16T15T2T1IPm）.下面是完全16轮DES算法框图：图1 完全16轮DES算

5、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1 IP置换规则58504234261810 260524436282012 462544638302214 664564840322416 8574941332517 9 159514335271911 361534537292113 563554739312315 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。2 IP-1是IP的逆置换因为第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

6、2 IP-1置换40848165624643239 747155523633138 646145422623037 545135321612936 444125220602835 343115119592734 242105018582633 141 949175725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ASC码字划分的关系，并将原来明文的第m8，m16，m24，m32，m40，m48，m56，m64位。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4

7、8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E32 1 2 3 4 5 4 5 6 7 8 9 8 9101112131213141516171617181920212021222324252425262728292829303132 1ki是由64比特的初始密钥的功能，其中的重点又在S-盒Substitution Boxes）上。F函数的输出是32比特。图3 F函数计算过程图将R经过一个扩展运算E变为48位，记为ER）。计

8、算ER）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。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4 S-盒函数S114 413 1 21511

9、 8 310 612 5 9 0 7 015 7 414 213 110 61211 9 5 3 8 4 114 813 6 2111512 9 7 310 5 01512 8 2 4 9 1 7 511 31410 0 613S215 1 814 611 3 4 9 7 21312 0 510 313 4 715 2 81412 0 110 6 911 5 014 71110 413 1 5 812 6 9 3 21513 810 1 315 4 211 6 712 0 514 9S310 0 914 6 315 5 11312 711 4 2 813 7 0 9 3 4 610 2 8 5

10、14121115 113 6 4 9 815 3 011 1 212 51014 7 11013 0 6 9 8 7 41514 311 5 212S4 71314 3 0 6 910 1 2 8 51112 41513 811 5 615 0 3 4 7 212 11014 910 6 9 01211 71315 1 314 5 2 8 4 315 0 610 113 8 9 4 51112 7 214S5 212 4 1 71011 6 8 5 31513 014 91411 212 4 713 1 5 01510 3 9 8 6 4 5 1111013 7 815 912 5 6 3 0

11、1411 812 7 114 213 615 0 910 4 5 3S612 11015 9 2 6 8 013 3 414 7 5111015 4 2 712 9 5 6 11314 011 3 8 91415 5 2 812 3 7 0 410 11311 6 4 3 212 9 515101114 1 7 6 0 813S7 411 21415 0 813 312 9 7 510 6 113 011 7 4 9 11014 3 512 215 8 6 1 4111312 3 7141015 6 8 0 5 9 2 61113 8 1 410 7 9 5 01514 2 312S813 2

12、 8 4 61511 110 9 314 5 012 7 11513 810 3 7 412 5 611 014 9 2 711 4 1 91214 2 0 6101315 3 5 8 2 114 7 410 8131512 9 0 3 5 611S-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b0 b1 b2 b3 b4 b5,在Si表中找出b0 b5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，b1 b6=(112=3 (b2 b3 b4

13、b52=(01012=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P16 7202129122817 1152326 5183110 2 824143227 3 9191330 62211 4254 子密钥的生成图4 DES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2.67），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

14、换PC-1574941332517 9 158504234261810 259514335271911 36052443663554739312315 762544638302214 661534537292113 5282012 4然后将此56位分为C0，D0两部分，各28比特，C0，D0如下：C0=k57k49k44k36D0=k63k55k12k4然后分别进行一个循环左移函数LS1，得到C1，D1，将C128位）,D128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K148位）。依次类推，便可得到K2，K3K16。表7密钥置换PC-214171124 1

15、 5 32815 62110231912 426 816 7272013 2415231374755304051453348444939563453464250362932其中LS11i16）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。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key8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

16、，LS1是循环左移运算。得到C1 ，D1，最后将其进行PC-2置换， PC-2置换得到k2 k16。void des_setkey(const char key8。static void f_func(bool in32,const bool ki48。/f函数static void s_func(bool out32,const bool in48。/s盒代替/变换static void transform(bool *out, bool *in, const char *table, int len。static void xor(bool *ina, const bool *inb, i

17、nt len。/异或static void rotatel(bool *in, int len, int loop。/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：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。void transform(bool *out,bool *in,const char *table,int lenstatic bool tmp256。for(int i=0。i tmpi=intablei-1。 me

18、mcpy(out,tmp,len。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。static const char e_table48= 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

19、，25，26，27，28，29，28，29，30，31，32， 1。for(char i=0,j,k。ij=(in0+in5。k=(in1+(in2+(in3+in4。bytetobit(out,&s_boxijk,4。P置换表。const static char p_table32=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。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。void xor(bool *ina,const bool *inb,int l

20、en for(int i=0。i inai=inbi。此函数的功能是将输入的字节组转换为位组。void bytetobit(bool *out,const char *in,int bits for(int i=0。i outi=(ini/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。void bittobyte(char *out,const bool *in,int bits memset(out,0,(bits+7/8。 for(int i=0。i outi/8|=ini。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

21、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。void des_run(char out8,char in8, bool typestatic bool m64,tmp32,*li=&m0, *ri=&m32。 bytetobit(m,in,64。 transform(m,m,ip_table,64。 if(type=encryptfor(int i=0。imemcpy(tmp,ri,32。f_func(ri,subkeyi。xor(ri,li,32。memcpy(li,tmp,32。else for(int i=15。i=0。i-memcpy(tmp,li,32。f_func(li,subkeyi。xor(li,ri,32。memcpy(ri,tmp,32。