DES加密课程设计

1、 信息安全课程设计方案 题 目： DES密码体系的数据加密解密实现 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师： 2014年 7月 8 日一、DES的背景和意义11.DES的背景12.DES的工作模式1二、DES算法的原理21DES的基本结构22.初始置换33. 每轮变换的详细过程44.密钥的产生7三、源程序8四、程序运行结果15五、总结15六、参考文献15一、DES的背景和意义1.DES的背景DES是由美国IBM公司于20世纪70年代中期的密码算法发展而来的，在1977年1月15日，美国国家标准局正式公布实施，并得到了ISO的认可。在过去近20年的时间里，DES被广泛应用于美国联邦和各种商业信息

2、的安全保密工作中，经受信了各种密码分析和攻击，体现出了令人满意的字全性。但随着密码分析技术和计算能力的提高，1994年，美国决定不再使用DES算法，目前DES算法已被更为安全的加解密算法取代。虽然这样，但是目前还无法将DES加密算法彻底破解掉，而且DES算法的加解密算法非常快，仍是目前使用最为普遍的对称密码算法。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、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，如信用卡人的PIN码加密传输，IC卡与POS机之间的双向认证、金融交易数据包的MAC校验等，均用到DES算法。加密算法要达到的目的通常称

3、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，防止数据未经授权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；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。 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。2.DES的工作模式 DES算法是这样工作的：如Mode为加密，则用Key 去把数据Dat

4、a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

5、行做法。二、DES算法的原理1DES的基本结构DES算法是对称加密算法，加密时需要有两个输入：明文和密钥。明文的长度为64位，密钥的长度为64位（64密钥中只有56位是有效的，其他为校验位）。图1.1 DES算法流程示意图上图1.1中表明了DES加密算法的整个加密机制。图中可以看出，DES算法的明文处理共分了3个部分：首先，64位明文经过初始值换（IP）矩阵改变排列顺序，然后与右边产生的子密钥进行16轮迭代运算，对明文进行了置换和替代。16轮迭代运算结束后的结果对其左右两部分进行对换，产生一个预输出。最后对预输出的结果进行初始逆置换（IP-1）产生64位密文。图1.1中，右半部分是产生每轮迭代

6、所需的子密钥的方法，首先是64位密钥经过置换选择1，长度变为56位，然后每轮都进行循环左移并通过置换选择2产生一个48位的子密钥。图1.2 DES详细算法示意图上图1.2，更加详尽的给出了DES算法的实现细节，下面来对DES算法分步来进行分析。2.初始置换表2.1和表2.2分别给出了初始置换和初始逆置换。每个表中共有64个位子，对应了64位的数据，表中定义的是每一位的数据具体被哪一位的数据所置换。5850423426181026052443628201246254463830221466456484032241685749413325179159514335271911361534537292

7、1135635547393123157表2.1初始置换表40848165624643239747155523633138646145422623037545135321612936444125220602835343115119592734242105018582633141949175725表2.2初始逆置换表3. 每轮变换的详细过程图3.1 单轮算法示意图将图1.2中中间部分抽取出来就得到了图3.1，其中可以看到每轮运算的细节实现。 64位的明文被分成了左右两个32位的明文块L和R。过程可以用公式简单的表达为： Li+1 = Ri Ri+1 = LiF(Ri,Ki+1)图3.2 S盒示意图

8、 上图3.2是具体F函数的操作细节：对右边的明文块R使用E（表3.3）扩展置换为48位，再与48位的子密钥进行异或，得到的结果再通过S盒还原为32位的数据，最后通过置换函数P（表3.4）得到F函数的输出。3212345456789891011121312131415161716171819202120212223242524252627282928293031321 表3.3（E扩展置换）167202191228171152326518311028241432273919133062211425 表3.4（P置换函数）如果仔细观察一下扩展置换矩阵E（表3.3）就会发现，他的作用其实是将32位数

9、据块分成4位4位的8份，然后每组与前后两组的末尾和开头组成6位，形成新的一行。例如有下面这么一些数据：asdf qwer zxcv qwer 扩展置换后变为 Rasdfq fqwerz rzxcvq vqwera在进行S盒变换的时候，每6位一组的外面2位代表着每个小S盒中4种可能中的一种，中间4位代表了这一行中具体选择哪一位来输出。8个S盒的32位输出经过置换，使得每个S盒的输出在下一轮中尽可能的影响更多的其他数据位 S1144131215118310612590701574142131106121195384114813621115129731050151282491751131410061

10、3S21518146113497213120510313471528141201106911501471110413158126932151381013154211671205149S31009146315511312711428137093461028514121115113649815301112125101471101306987415143115212S47131430691012851112415138115615034721211014910690121171315131452843150610113894511127214S5212417101168531513014914112

11、1247131501510398642111101378159125630141181271142136150910453S61211015926801334147511101542712956113140113891415528123704101131164321295151011141760813S74112141508133129751061130117491101435122158614111312371410156805926111381410795015142312S8132846151111093145012711513810374125611014927114191214206

12、1013153582114741081315129035611 表3.5（s盒）4.密钥的产生下图1.2.5中指出的子密钥的产生过程，可以看出：输入的初始密钥为64位的，但是其实真正使用的只有其中的56位被使用了，将64位划分成一个8X8矩阵，每行的第八位都是被舍去的，第8位是校验位。得到的56位密钥首先要经过置换选择1处理，之后每轮产生子密钥时56位密钥被分为左右28位，每次各自进行循环左移（或旋转）1位到2位，移位后的值作为下一轮的输入。同时对它们使用置换选择2，得到本轮的一个子密钥。图4.1 密钥产生示意图57494133251791585042342618102595143352719

13、113605244366355473931331576254463830221466153453729211352820124表4.2（PC-1表）1417112415328156211023191242681672720132415231374755304051453348444939563453464250362932表4.3（PC-2表）三、源程序1.头文件：DES.h设计方法：类的共有接口只设计一个，即加密解密函数，用一个bool参数区分是加密还是解密。其他像读文件，写文件，加密变换函数等等设置为私有涉及内容：文件操作，STL向量，数制变换，位操作及函数设计等等。代码：/ DES.h:

14、 interface for the DES class./#if !defined(AFX_DES_H_754699B6_9986_42CE_90B2_0DBFACEA51CD_INCLUDED_)#define AFX_DES_H_754699B6_9986_42CE_90B2_0DBFACEA51CD_INCLUDED_#if _MSC_VER 1000#pragma once#endif / _MSC_VER 1000#include #include #include #include #include #include using namespace std;/*/*/* DES类

15、声明 */class DESpublic:DES();/*构造函数*/void encrypt(bool flag = true);/*加解密函数*/private:string plaintextFilePath_;/*明文文件路径*/string ciphertextFilePath_;/*密文文件路径*/string keyFilename_;/*密钥文件路径*/string plaintext_;/*明文存储*/string ciphertext_;/*密文存储*/string key_;/*密钥存储*/vectorvector subkey_;/*子密钥存储*/void getsub

16、key_();/*计算子密钥*/void setPlaintextFilePath_();/*设置明文路径*/void setCiphertextFilePath_();/*设置密文路径*/void setKeyFilePath_();/*设置密钥路径*/string readData_(string filename);/*读取文件*/void saveData_(string filename,string data);/*保存文件*/vector string2bit_(string str); /*string类型转为ASCII二进制数*/string bit2string_(vect

17、or v);/*ASCII二进制数转为string类型*/vector int2bit_(vector vecInt);/*整形数0-15化为二进制*/vector vecXor_(vector vL, vector vR);/*向量异或*/vector leftIterMove_(vector movVec,int loopStep);/*数据左移loopStep位*/vector vecReplace_(vector v,const unsigned int vArray);/*向量数据按vArray中数据重排序*/vector vecMerge_(vector vL, vector vR

18、);/*合并两个向量*/vector f_(vector vecR, vector vecKey);/*f函数*/vector S_(vector vecRKey);/*S盒函数*/ /*/* 变换矩阵 */ static const unsigned int PC_1_56;static const unsigned int PC_2_48;static const unsigned int LOOP_16;static const unsigned int IP_64;static const unsigned int IPR_64;static const unsigned int SB

19、OX_8416;static const unsigned int E_48;static const unsigned int P_32;/*/;#endif / !defined(AFX_DES_H_754699B6_9986_42CE_90B2_0DBFACEA51CD_INCLUDED_)2. DES加密代码/ DES.cpp: implementation of the DES class./#include DES.h/*/*/* 静态常量放在这里 */const unsigned int DES:IP_64 = 58, 50, 42, 34, 26, 18, 10, 2, 60,

20、 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;const unsigned int DES:IPR_64 = 40, 8, 48, 16, 56, 24, 64, 32, 39, 7, 47, 15, 55, 23, 63, 3

21、1,38, 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;const unsigned int DES:PC_1_56 = /*注释的部分是对应64位带奇偶校验的*/*57, 49, 41, 33, 25, 17, 9, 1, 58, 50, 42, 34, 26, 18,10, 2, 5

22、9, 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*/50, 43, 36, 29, 22, 15, 8, 1, 51, 44, 37, 30, 23, 16,9, 2, 52, 45, 38, 31, 24, 17, 10, 3, 53, 46, 39, 32,56, 49, 42, 35, 28, 21, 14, 7, 55, 48, 41,

23、34, 27, 20,13, 6, 54, 47, 40, 33, 26, 19, 12, 5, 25, 18, 11, 4;const unsigned int DES:PC_2_48 = /*注释的部分是对应64位带奇偶校验的*/*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*/1

24、4, 17, 11, 24, 1, 5, 3, 28, 15, 6, 21, 10,23, 19, 12, 4, 26, 8, 16, 7, 27, 20, 13, 2,13, 24, 3, 9, 19, 27, 2, 12, 23, 17, 5, 20,16, 21, 11, 28, 6, 15, 18, 14, 12, 8, 1, 4;const unsigned int DES:LOOP_16 = 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1;const unsigned int DES:SBOX_8416 = / S1 14, 4, 13

25、, 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

26、, 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,

27、 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, 1

28、3, 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

29、, 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

30、, 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;const unsigned int DES:E_48 = 32, 1, 2, 3, 4, 5, 4, 5, 6, 7, 8, 9,8, 9, 10, 11

31、, 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;const unsigned int DES:P_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;/*/*/* DES类实现 */DES:DES():s

32、ubkey_(16,vector(48)/*构造函数*/void DES:encrypt(bool flag /* = true */)/*加密函数*/*读取文件*/vector textBit;if (flag) /*加密*/ setPlaintextFilePath_(); plaintext_ = readData_(plaintextFilePath_); textBit = string2bit_(plaintext_);/*不够64bit的整数，补0,如下*/ unsigned int zeroFill = (textBit.size()%64) ? (64 - textBit.s

33、ize()%64) : 0; for (unsigned int i = 0; i zeroFill; i+) textBit.push_back(0); else /*解密*/ setCiphertextFilePath_(); ciphertext_ = readData_(ciphertextFilePath_); textBit = string2bit_(ciphertext_);/*读取密钥文件*/getsubkey_();/*循环读取64bit加密*/unsigned int len = textBit.size();unsigned int count = 0;vector s

34、ecret;/*保存密文*/while ( count (len / 64) ) vector textBitTmp;int i; for (i= 64*count; i 64*count+64; i+) textBitTmp.push_back(textBiti); /*IP置换*/ vector textBitTmp_IP; textBitTmp_IP = vecReplace_(textBitTmp,IP_); /*划分L0和R0*/ vectorvector L(17,vector(32); vectorvector R(17,vector(32); for (i = 0; i 32;

35、 i+) L0i = textBitTmp_IPi; for (i = 0; i 32; i+) R0i = textBitTmp_IPi+32; /*迭代生成L1-L16,R1-R16*/ for (i = 1; i 17; i+) Li = Ri-1; if (flag) Ri = vecXor_(Li-1, f_(Ri-1,subkey_i-1); else Ri = vecXor_(Li-1, f_(Ri-1,subkey_16-i); vector RL = vecMerge_(R16,L16); for (i = 0; i 64; i+) secret.push_back(RLIP

36、R_i-1); count+;if (flag) ciphertext_ = bit2string_(secret); setCiphertextFilePath_(); saveData_(ciphertextFilePath_,ciphertext_);else plaintext_ = bit2string_(secret); setPlaintextFilePath_(); saveData_(plaintextFilePath_,plaintext_);void DES:setPlaintextFilePath_()/*设置明文路径*/string plaintextFilePath

37、;cout plaintextFilePath;plaintextFilePath_ = plaintextFilePath;void DES:setCiphertextFilePath_()/*设置密文路径*/string ciphertextFilePath;cout ciphertextFilePath;ciphertextFilePath_ = ciphertextFilePath;void DES:setKeyFilePath_()/*设置密钥路径*/string keyFilename;cout keyFilename;keyFilename_ = keyFilename;stri

38、ng DES:readData_(string filename)/*通用函数：读取文件内容到string中，包含空格和回车符等*/ifstream in;ostrstream os;in.open(filename.c_str(),ios:in);os in.rdbuf() ends;in.close();return os.str();void DES:saveData_(string filename,string data)/*通用函数：保存数据到文件中，包含空格和回车*/ofstream out(filename.c_str();out.write(data.c_str(),data

39、.size();out.close();vector DES:string2bit_(string str)/*string转为二进制*/vector v;for (unsigned int i = 0; i 0) v.push_back( (mask&stri) 0) ); mask = mask 1; return v;string DES:bit2string_(vector v)/*二进制转为string*/assert(v.size()%8 = 0);unsigned int count = 0,len = v.size();string str;while ( count (len

40、/8) ) int mask = 128; int ch = 0; for (unsigned int i = 8*count; i 1; str += (char)ch; count+;return str;vector DES:int2bit_(vector vecInt)/*整形数0-15化为二进制*/vector v;for (unsigned int i = 0; i 0) v.push_back( (mask&vecInti) 0) ); mask = mask 1; return v;vector DES:vecXor_(vector vL, vector vR)/*向量逐位异或

41、*/assert(vL.size() = vR.size();for (unsigned int i = 0; i vL.size(); i+) vLi = vRi;return vL;vector DES:leftIterMove_(vector movVec,int loopStep)/*数据左移loopStep位*/unsigned int len = movVec.size();int i;for (i = 0; i loopStep; i+) movVec.push_back(movVeci);for (i = 0; i len; i+) movVeci = movVeci+loop

42、Step;movVec.erase(movVec.end()-loopStep,movVec.end();return movVec;vector DES:vecReplace_(vector v,const unsigned int vArray)/*通用函数：数据按照数组元素换位*/vector vTmp;int i;for (i = 0; i v.size(); i+) vTmp.push_back(vvArrayi-1);return vTmp;vector DES:vecMerge_(vector vL, vector vR)/*合并两个向量*/vector vLR;int i;for (i = 0; i vL.size(); i+) vLR.push_back(vLi);for (i = 0; i vR.size();