基于DES算法的数据文件加密解密的java编程实现.docx
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基于DES算法的数据文件加密解密的java编程实现
基于DES算法的数据文件加密/解密的java编程实现
1课题背景和意义
据记载，公元前400年，古希腊人发明了置换密码。
1881年世界上的第一个电话保密专利出现。
在第二次世界大战期间，德国军方启用“恩尼格玛”密码机，密码学在战争中起着非常重要的作用。
随着信息化和数字化社会的发展，人们对信息安全和保密的重要性认识不断提高，于是在1997年，美国国家标准局公布实施了“美国数据加密标准（DES）”，民间力量开始全面介入密码学的研究和应用中，采用的加密算法有DES、RSA、SHA等。
随着对加密强度需求的不断提高，近期又出现了AES、ECC等。
我国也相应提出了自己国家的ECC、SCB2、SCH等加密算法。
使用密码学可以达到以下目的：
1.保密性：
防止用户的标识或数据被读取。
2.数据完整性：
防止数据被更改。
3.身份验证：
确保数据发自特定的一方。
随着计算机和通信网络的广泛应用，信息的安全性已经受到人们的普遍重视。
信息安全已不仅仅局限于政治，军事以及外交领域，而且现在也与人们的日常生活息息相关。
现在，密码学理论和技术已得到了迅速的发展，它是信息科学和技术中的一个重要研究领域。
在近代密码学上值得一提的大事有两件：
一是1977年美国国家标准局正式公布实施了美国的数据加密标准（DES），公开它的加密算法，并批准用于非机密单位及商业上的保密通信。
密码学的神秘面纱从此被揭开。
二是Diffie和Hellman联合写的一篇文章“密码学的新方向”，提出了适应网络上保密通信的公钥密码思想，拉开了公钥密码研究的序幕。
DES（DataEncryptionStandard）是IBM公司于上世纪1977年提出的一种数据加密算法。
在过去近三十年的应用中，还无法将这种加密算法完全、彻底地破解掉。
而且这种算法的加解密过程非常快，至今仍被广泛应用，被公认为安全的。
虽然近年来由于硬件技术的飞速发展，破解DES已经不是一件难事，但学者们似乎不甘心让这样一个优秀的加密算法从此废弃不用，于是在DES的基础上有开发了双重DES（DoubleDES,DDES）和三重DES（TripleDES,TDES）。
在国内，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码加密传输，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加密体制是ISO颁布的数据加密标准。
因此研究DES还是有非常重要的意义。
1.1课题目标和意义
题目：
利用DES的加密算法实现针对二进制数据（文件）的加/解密软件工具。
采用java语言，软件版本：
jdk1.6.0,JCreatorProv3.5.013汉化版，平台:
WindowsXP
意义：
了解DES加密算法及原理，掌握其基本应用，利用java编程实现。
2DES算法原理
DES算法由加密、子密钥和解密的生成三部分组成。
现将DES算法介绍如下。
1．加密
DES算法处理的数据对象是一组64比特的明文串。
设该明文串为m=m1m2…m64（mi=0或1）。
明文串经过64比特的密钥K来加密，最后生成长度为64比特的密文E。
其加密过程图示如下：
图2-1：
DES算法加密过程
对DES算法加密过程图示的说明如下：
待加密的64比特明文串m，经过IP置换（初始置换）后，得到的比特串的下标列表如下：
表2-1：
得到的比特串的下标列表
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
该比特串被分为32位的L0和32位的R0两部分。
R0子密钥K1（子密钥的生成将在后面讲）经过变换f（R0,K1）（f变换将在下面讲）输出32位的比特串f1,f1与L0做不进位的二进制加法运算。
运算规则为：
f1与L0做不进位的二进制加法运算后的结果赋给R1，R0则原封不动的赋给L1。
L1与R0又做与以上完全相同的运算，生成L2，R2……一共经过16次运算。
最后生成R16和L16。
其中R16为L15与f（R15,K16）做不进位二进制加法运算的结果，L16是R15的直接赋值。
R16与L16合并成64位的比特串。
值得注意的是R16一定要排在L16前面。
R16与L16合并后成的比特串，经过置换IP-1（终结置换）后所得比特串的下标列表如下：
表2-2：
置换后所得比特串的下标列表
IP-1
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
经过置换IP-1后生成的比特串就是密文e。
变换f（Ri-1,Ki）:
它的功能是将32比特的输入再转化为32比特的输出。
其过程如图2-2所示：
图2-2：
将32比特的输入再转化为32比特的输出
f变换说明：
输入Ri-1（32比特）经过变换E（扩展置换E）后，膨胀为48比特。
膨胀后的比特串的下标列表如下：
表2-3：
膨胀后的比特串的下标列表
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
膨胀后的比特串分为8组，每组6比特。
各组经过各自的S盒后，又变为4比特（具体过程见后），合并后又成为32比特。
该32比特经过P变换（压缩置换P）后，其下标列表如下：
表2-4：
压缩置换P后的下标列表
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
经过P变换后输出的比特串才是32比特的f（Ri-1,Ki）.
S盒的变换过程:
任取一S盒。
见图2-3：
图2-3
在其输入b1,b2,b3,b4,b5,b6中，计算出x=b1*2+b6,y=b5+b4*2+b3*4+b2*8，再从Si表中查出x行，y列的值Sxy。
将Sxy化为二进制，即得Si盒的输出。
（S表如图2-4所示）
图2-4
以上是DES算法加密原理
加密过程实现（JAVA主要源代码）
●输入64位明文串，经过IP置换：
for（i=0;i<64;i++）{
M[i]=timeData[IP[i]-1];
}
●迭代（由于各次迭代的方法相同只是输入输出不同，因此以任意一次为例）：
首先进行S盒的运算。
输入32位比特串,经过E变换，由32位变为48位：
for（i=0;i<48;i++）{
RE[i]=R0[E[i]-1];
与keyarray[times][i]按位作不进位加法运：
RE[i]=RE[i]+keyarray[times][i];
if（RE[i]==2）{
RE[i]=0;
}
48位分成8组：
for（i=0;i<8;i++）{
for（j=0;j<6;j++）{
S[i][j]=RE[（i*6）+j];}
}
经过S盒，得到8个数：
sBoxData[i]=S_Box[i][（S[i][0]<<1）+S[i][5]][（S[i][1]<<3）
+（S[i][2]<<2）+（S[i][3]<<1）+S[i][4]];
将8个数变换输出二进制：
for（j=0;j<4;j++）{
sValue[（（i*4）+3）-j]=sBoxData[i]%2;
sBoxData[i]=sBoxData[i]/2;
}
经过P变换：
RP[i]=sValue[P[i]-1];
至此，S盒运算完成
左右交换：
L1[i]=R0[i];
R1[i]=L0[i]+RP[i];
Ri为Li-1与f（R,K）进行不进位二进制加法运算结果：
R1[i]=L0[i]+RP[i];
if（R1[i]==2）{
R1[i]=0;
}
各次迭代类似，可以依此类推。
2.子密钥的生成
64比特的密钥生成16个48比特的子密钥。
其生成过程见图2-5：
图2-5子密钥生成过程
具体解释如下：
64比特的密钥K，经过PC-1（置换A）后，生成56比特的串。
其下标如表所示：
表2-5：
生成56比特的串
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
该比特串分为长度相等的比特串C0和D0。
然后C0和D0分别循环左移1位，得到C1和D1。
C1和D1合并起来生成C1D1。
C1D1经过PC-2（置换B）变换后即生成48比特的K1。
K1的下标列表为：
表2-6：
K1的下标列表
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
C1、D1分别循环左移LS2位，再合并，经过PC-2，生成子密钥K2……依次类推直至生成子密钥K16。
注意：
Lsi（I=1,2,….16）的数值是不同的。
具体见下表：
表2-7：
生成子密钥
迭代顺序
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
左移位数
1
1
2
2
2
2
2
2
1
2
2
2
2
2
2
1
子密钥的生成（JAVA源代码）：
输入64位K，经过PC-1变为56位：
for（i=0;i<56;i++）{
K0[i]=key[PC_1[i]-1];
}
56位的K0，均分为28位的C0，D0。
C0，D0生成K1和C1，D1（以下几次迭代方法相同，仅以生成任意一次为例）：
if（offset==1）{
for（i=0;i<27;i++）{//循环左移一位
c1[i]=c0[i+1];
d1[i]=d0[i+1];
}
c1[27]=c0[0];
d1[27]=d0[0];
}elseif（offset==2）{
for（i=0;i<26;i++）{//循环左移两位
c1[i]=c0[i+2];
d1[i]=d0[i+2];
}
c1[26]=c0[0];
d1[26]=d0[0];
c1[27]=c0[1];
d1[27]=d0[1];
}
for（i=0;i<28;i++）{
k[i]=c1[i];//生成子密钥ki
k[i+28]=d1[i];
}
注意：
生成的子密钥不同，所需循环左移的位数也不同。
在编程中，生成不同的子密钥应以上述offset表为准。
3.解密
DES的解密过程和DES的加密过程完全类似，只不过将16圈的子密钥序列K1，K2……K16的顺序倒过来。
即第一圈用第16个子密钥K16，第二圈用K15，其余类推。
第一圈：
图2-6
加密后的结果
图2-7：
加密后的结果
L=R15,R=L15⊕f（R15,K16）⊕f（R15,K16）=L15
同理R15=L14⊕f（R14,K15）,L15=R14。
同理类推：
得L=R0,R=L0。
其程序源代码与加密相同。
3程序设计步骤
3.1程序设计步骤
3.1.1程序开发平台及工具
软件版本：
jdk1.6.0,JCreatorProv3.5.013汉化版
平台:
WindowsXP
3.1.2源代码：
publicclassDesUtil{
byte[]bytekey;
publicDesUtil（StringstrKey）{
this.bytekey=strKey.getBytes（）;
}//声明常量字节数组
privatestaticfinalint[]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};//64
privatestaticfinalint[]IP_1={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};//64
privatestaticfinalint[]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};//56
privatestaticfinalint[]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};//48
privatestaticfinalint[]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};//48
privatestaticfinalint[]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};//32
privatestaticfinalint[][][]S_Box={//S-盒
{//S_Box[1]
{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}},
{//S_Box[2]
{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}},
{//S_Box[3]
{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}},
{//S_Box[4]
{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}},
{//S_Box[5]
{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}},
{//S_Box[6]
{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}},
{//S_Box[7]
{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}},
{//S_Box[8]
{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}}
};
privatestaticfinalint[]LeftMove={1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1};
//左移位置列表
privatebyte[]UnitDes（byte[]des_key,byte[]des_data,intflag）{
//检测输入参数格式是否正确，错误直接返回空值（null）
if（（des_key.length!
=8）||（des_data.
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