算法论文.docx
《算法论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《算法论文.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
算法论文
DES加密算法解析及其在JAVA中的实现摘要通过课程知识学习，对算法有了深刻的了解，因而结合自己的学习方向javaweb方面能够用到的几种算法进行罗列与分析，并选取其中具有代表性的DES算法进行解析，进一步的强化算法原理与应用的理解，更有利于后期的应用。
关键词：
DES加密算法JAVA实现与解析
一.DES基础概述1.加密算法概述通常，国际上通用的几种加密算法有以下几类：
1.1.单钥密码体制（DES）1.2.消息摘要（MD5）1.3.diffie-hellman密钥一致协议（代表指数密钥一致协议ekap）1.4.非对称算法与公钥体系（代表RSA）1.5.数字签名（代表DSA）以上几类算法各有应用范围，同时各有自身的优点与缺点，以下将就其中的DES算法进行详细阐述。
2..单钥密码体制概述单钥密码体制是一种传统的加密算法，是指信息的发送方和接收方共同使用同一把密钥进行加解密。
通常,使用的加密算法比较简便高效,密钥简短，加解密速度快，破译极其困难。
但是加密的安全性依靠密钥保管的安全性,在公开的计算机网络上安全地传送和保管密钥是一个严峻的问题，并且如果在多用户的情况下密钥的保管安全性也是一个问题。
单钥密码体制的代表是美国的DES，DES（DataEncryptionStandard）是发明最早的最广泛使用的分组对称加密算法。
3.DES概述美国国家标准局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：
3.1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；3.2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；3.3DES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；3.4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即DataEncryptionStandard）。
目前在国内，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。
二.算法剖析
DES算法由加密、解密和子密钥的生成三部分组成。
2.1．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：
2.2.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置换后，得到乱序的比特串的下标列表如下：
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后所得比特串的下标列表如下：
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.。
下面再讲一下变换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。
其过程如图所示：
对f变换说明如下：
输入Ri-1（32比特）经过变换E后，膨胀为48比特。
膨胀后的比特串的下标列表如下：
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
31
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变换后，其下标列表如下：
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）。
下面再讲一下S盒的变换过程。
任取一S盒。
见图：
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表如图所示）
三.算法的javaweb实现
package com.text;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.SecureRandom;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;
public class DES{
/**
* 创建密匙
* 加密算法,DES
*/
public SecretKeycreateSecretKey（Stringalgorithm）{
// 声明KeyGenerator对象
KeyGeneratorkeygen;
// 声明 密钥对象
SecretKeydeskey= null;
try {
// 返回生成指定算法的秘密密钥的 KeyGenerator 对象
keygen=KeyGenerator.getInstance（algorithm）;
// 生成一个密钥
deskey=keygen.generateKey（）;
} catch （NoSuchAlgorithmExceptione）{
e.printStackTrace（）;
}
// 返回密匙
return deskey;
}
/**
* 根据密匙进行DES加密
* @param info要加密的信息
* @return String 加密后的信息
*/
public StringencryptToDES（SecretKeykey,Stringinfo）{
// 定义 加密算法,DES
StringAlgorithm= "DES";
// 加密随机数生成器 （RNG）,（可以不写）
SecureRandomsr= new SecureRandom（）;
// 定义要生成的密文
byte[]cipherByte= null;
try {
// 得到加密/解密器
Cipherc1=Cipher.getInstance（Algorithm）;
// 用指定的密钥和模式初始化Cipher对象
// 参数:
（ENCRYPT_MODE,DECRYPT_MODE,WRAP_MODE,UNWRAP_MODE）
c1.init（Cipher.ENCRYPT_MODE,key,sr）;
// 对要加密的内容进行编码处理,
cipherByte=c1.doFinal（info.getBytes（））;
} catch （Exceptione）{
e.printStackTrace（）;
}
// 返回密文的十六进制形式
return byte2hex（cipherByte）;
}
/**
* 根据密匙进行DES解密
* @param sInfo 要解密的密文
* @return String 返回解密后信息
*/
public StringdecryptByDES（SecretKeykey,StringsInfo）{
// 定义 加密算法
StringAlgorithm= "DES";
// 加密随机数生成器 （RNG）
SecureRandomsr= new SecureRandom（）;
byte[]cipherByte= null;
try {
// 得到加密/解密器
Cipherc1=Cipher.getInstance（Algorithm）;
// 用指定的密钥和模式初始化Cipher对象
c1.init（Cipher.DECRYPT_MODE,key,sr）;
// 对要解密的内容进行编码处理
cipherByte=c1.doFinal（hex2byte（sInfo））;
} catch （Exceptione）{
e.printStackTrace（）;
}
//returnbyte2hex（cipherByte）;
return new String（cipherByte）;
}
/**
* 将二进制转化为16进制字符串
* @param b二进制字节数组
* @return String
*/
public Stringbyte2hex（byte[]b）{
Stringhs= "";
Stringstmp= "";
for （int n=0;n stmp=（java.lang.Integer.toHexString（b[n]&0XFF））;
if （stmp.length（）==1）{
hs=hs+ "0" +stmp;
} else {
hs=hs+stmp;
}
}
return hs.toUpperCase（）;
}
/**
* 十六进制字符串转化为2进制
* @param hex
* @return
*/
public byte[]hex2byte（Stringhex）{
byte[]ret= new byte[8];
byte[]tmp=hex.getBytes（）;
for （int i=0;i<8;i++）{
ret[i]= uniteBytes（tmp[i*2],tmp[i*2+1]）;
}
return ret;
}
/**
* 将两个ASCII字符合成一个字节； 如：
"EF"--> 0xEF
* @param src0byte
* @param src1 byte
* @return byte
*/
public static byte uniteBytes（byte src0, byte src1）{
byte _b0=Byte.decode（"0x" + new String（new byte[]{src0}））
.byteValue（）;
_b0=（byte）（_b0<<4）;
byte _b1=Byte.decode（"0x" + new String（new byte[]{src1}））
.byteValue（）;
byte ret=（byte）（_b0^_b1）;
return ret;
}
public static void main（String[]args）{
DESdes= new DES（）;
// 生成一个DES算法的密匙
SecretKeykey=des.createSecretKey（"DES"）;
// 用密匙加密信息"Hello"
Stringstr1=des.encryptToDES（key, "Hello"）;
System.out.println（"使用des加密信息Hello为:
" +str1）;
//02E7AADB2E1DBCF6
// 使用这个密匙解密
Stringstr2=des.decryptByDES（key,str1）;
System.out.println（"解密后为：
" +str2）;
}
}
四.总结
DES算法具有极高安全性，到目前为止，除了用穷举搜索法对DES算法进行攻击外，还没有发现更有效的办法。
而56位长的密钥的穷举空间为256，这意味着如果一台计算机的速度是每一秒种检测一百万个密钥，则它搜索完全部密钥就需要将近2285年的时间，可见，这是难以实现的，当然，随着科学技术的发展，当出现超高速计算机后，我们可考虑把DES密钥的长度再增长一些，以此来达到更高的保密程度。
4.1．DES算法组成：
（1）16个子密钥产生器
（2）初始置换IP
（3）16轮迭代的乘积变换—关键
（4）逆初始置换IP-1
4.2.初始置换IP和逆初始置换IP-1：
在密码意义上作用不大，它们的作用在于打
乱原来输入x的ASCII码字划分的关系，并将原来明文的校验位x8,x16,L,x64变成
为IP输出的一个字节
4.3乘积变换三个关键函数：
（1）扩展函数E
（2）选择压缩运算S盒
（3）置换运算P盒
由上述DES算法介绍我们可以看到：
DES算法中只用到64位密钥中的其中56位，而第8、16、24、......64位8个位并未参与DES运算，这一点，向我们提出了一个应用上的要求，即DES的安全性是基于除了8，16，24，......64位外的其余56位的组合变化256才得以保证的。
因此，在实际应用中，我们应避开使用第8，16，24，......64位作为有效数据位，而使用其它的56位作为有效数据位，才能保证DES算法安全可靠地发挥作用。
如果不了解这一点，把密钥Key的8，16，24，......64位作为有效数据使用，将不能保证DES加密数据的安全性，对运用DES来达到保密作用的系统产生数据被破译的危险，这正是DES算法在应用上的误区，留下了被人攻击、被人破译的极大隐患。
参考文献
[1]陈卓.网络安全技术[M].北京:
机械工业出版社,2004.
[2]胡建伟.网络安全与保密[M].北京:
西安电子科技大学出版社,2003
[3]刘然慧.DES算法安全性的分析与研究.山东科技大学信息工程系
[4]宣克祥.数据加密标准（DES）算法与安全性探析.解放军国际关系学院
[5]李少芳.DES算法加密过程的探讨.莆田学院电子信息工程系
[6]陈良.一种优化DES算法.广东省公安司法管理干部学院技术系
升级会员 