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DES算法
哈尔滨理工大学
课 程 设 计
题 目:
DES算法
院、 系:
计算机科学与技术学院网络工程系
班级:
学号:
姓 名:
同组成员:
指导教师:
成绩:
2014年06月27日
一.系统设计的目标
掌握DES中各加密函数对其性能影响;
理解对称加解密算法的原理和特点;
理解DES算法的加解密原理;
二.系统原理
(一)DES算法的总结构
DES是一个分组加密算法,它以64位为分组对数据加密,所用的加解密密钥也是64位大小,其中8个位用来做奇偶校验,所以实际用来加解密的密钥为56位。
DES算法加密与解密所用的算法除了子密钥的顺序不同之外,其他的部分则是完全相同的。
在结构图(如下图)最上方的64位输入可以是明文也可以是密文,视加密或解密而定,加密与解密的不同之处在于最右面密钥的顺序不同,加密的子密钥顺序为K1,K2,„„,K16,而解密的子密钥顺序为K16,K15,„„,K1。
在进行加密或解密时,首先对输入的内容进行初始置换,然后分为L0和R0两部分,R0和子密钥K1进行f函数运算与L0异或后作为下一轮的R1,而R0作为下一轮的L1,如此运作16轮,再进行初始置换的逆置换,得到64位输出。
(二)加密
DES算法把64位的明文输入块变为64位的密文输出块,它所使用的密钥也是64位,其功能是把输入的64位数据块按位重新组合,并把输出分为L0 、R0两部分,每部分各长32位,其置换规则见下表:
58,50,12,34,26,18,10,2,60,52,44,36,28,20,12,4,
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位换到第一位,第50位换到第2位,……,依此类推,最后一位是原来的第7位。
L0、R0则是换位输出后的两部分,L0是输出的左32位,R0 是右32位,例:
设置换前的输入值为D1D2D3……D64,则经过初始置换后的结果为:
L0=D550……D8;R0=D57D49...D7。
经过26次迭代运算后,得到L16、R16,将此作为输入,进行逆置换,即得到密文输出。
逆置换正好是初始置的逆运算,例如,第1位经过初始置换后,处于第40位,而通过逆置换,又将第40位换回到第1位,其逆置换规则如下表所示:
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,
放大换位表
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,
单纯换位表
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,
在f(Ri,Ki)算法描述图中,S1,S2...S8为选择函数,其功能是把6bit数据变为4bit数据。
下面给出选择函数Si(i=1,2......8)的功能表:
选择函数Si
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,
(三)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。
(四)子密钥Ki(48bit)的生成算法
初始Key值为64位,但DES算法规定,其中第8、16、......64位是奇偶校验位,不参与DES运算。
故Key 实际可用位数便只有56位。
即:
经过缩小选择换位表1的变换后,Key 的位数由64 位变成了56位,此56位分为C0、D0两部分,各28位,然后分别进行第1次循环左移,得到C1、D1,将C1(28位)、D1(28位)合并得到56位,再经过缩小选择换位2,从而便得到了密钥K0(48位)。
依此类推,便可得到K1、K2、......、K15。
三.系统功能分析
1.基本要求部分:
a)能够对一个明文分组进行加密,加密后能够正确解密。
b)程序运行时可以输出任一组密钥。
因为实现了对任意长度明加密,所以没输出每一轮加密后的结果。
因为当明文长度过长时,每一轮加密结果会很多。
c)程序有良好的人机交互操作。
2.运行环境
本软件用C++语言编写,编写时所用的工具主要是Visual Studio。
编辑成功后的.EXE文件可以在装有windows系统的任何计算机上使用。
测试平台:
Windows XP Professional使用软件:
Microsoft Visual Studio 2005。
3.功能模块
密钥模块、加密模块、解密模块。
四.系统实现
(一)子密钥生成流程图
(二)加密流程图
(三)解密流程图
4-3解密流程图
详细设计
1、系统设计
本系统的DES算法采用的是C语音进行编程,界面是由输入文本以及加密后DES密文,DES解密的结果组成。
运行过程可以循环运行。
界面是基于MFC来实现的,具有良好的可视界面与人机交互性和操作性。
2、主要函数:
// initial permutation IP
void Des_Run(TCHAR Out[8],TCHAR In[8],bool Type=ENCRYPT);
//设置密钥
void Des_SetKey(const TCHAR Key[8]);
static void F_func(bool In[32],const bool Ki[48]);//f函数
static void S_func(bool Out[32],const bool In[48]);//S盒代替
//变换
static void Transform(bool * Out,bool * In,const TCHAR * Table,int len);
static void Xor(bool *InA,const bool * InB,int len);//异或
static void RotateL(bool * In,int len,int loop);//循环左移
//字节组转换成位组
static void ByteToBit(bool * Out,const TCHAR * In,int bits);
//位组转换成字节组
static void BitToByte(TCHAR * Out,const bool * In,int bits);
void ma(TCHAR In[8],bool Type);
3、运行效果截图:
4-3-1输入明文“再见”页面
4-3-2点击加密获得密文界面
4-3-3点击解密重新获得明文界面
附录:
1.源程序代码:
#pragmaonce
#include"stdio.h"
#include"memory.h"
enum{ENCRYPT,DECRYPT};
voidDes_Run(TCHAROut[8],TCHARIn[8],boolType=ENCRYPT);
//设置密钥
voidDes_SetKey(constTCHARKey[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,constTCHAR*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,constTCHAR*In,intbits);
//位组转换成字节组
staticvoidBitToByte(TCHAR*Out,constbool*In,intbits);
voidma(TCHARIn[8],boolType);
//置换IP表
conststaticTCHARIP_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
};
//finalpermutationIP^-1逆置换IP-1表
conststaticTCHARIPR_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
};
//expansionoperationmatrixE位选择表
staticconstTCHARE_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
};
//32-bitpermutationfunctionPusedontheoutputoftheS-boxesP换位表
conststaticTCHARP_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
};
//permutedchoicetable(key)PC1选位表
conststaticTCHARPC1_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
};
//permutedchoicekey(table)PC2选位表
conststaticTCHARPC2_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
};
//numberleftrotationsofpc1左移位数表
conststaticTCHARLOOP_Table[16]=
{
1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1
};
//The(in)famousS-boxesS盒
conststaticTCHARS_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
};
2.我写的代码:
#include "stdafx.h"
#include "afx.h"
static bool SubKey[16][48];
void F_func(bool In[32],const bool Ki[48])
{
static bool MR[48];
// 扩展变换
Transform(MR,In,E_Table,48);
Xor(MR,Ki,48);
S_func(In,MR);
// P 变换
Transform(In,In,P_Table,32);}
/******************************************************************************/
//名称:
S_func
//功能:
S 盒代替
/******************************************************************************/
void S_func(bool Out[32],const bool In[48])
{
for(TCHAR i=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);
}
}
/******************************************************************************/
//名称:
Transform
//功能:
变换
//返回:
变换成功返回true,否则返回false
/*************************************************************
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