DES加解密过程和实现

1、*本科生作业*兰州理工大学计算机与通信学院2017年春季学期信息安全课程专业：物联网工程姓名：学号：授课教师：郭显成绩：DE劭口解密过程及其实现1 DES加解密原理DES算法为密码体制中的对称密码体制，又被称为美国数据加密标准，是1972年美国旧M公司研制的对称密码体制加密算法。明文按64位进行分组，密钥长64位，密钥事实上是56位参与DES运算（第8、16、24、32、40、48、56、64位是校验位，使得每个密钥都有奇数个1）分组后的明文组和56位的密钥按位替代或交换的方法形成密文组的加密方法。其入口参数有三个：key、data、modkey为加密解密使用的密钥，data为加密解密的数据，

2、mode为其工作模式。当模式为加密模式时，明文按照64位进行分组，形成明文组，key用于对数据加密，当模式为解密模式时，key用于对数据解密。实际运用中，密钥只用到了64位中的56位，这样才具有高的安全性。1.1 DES算法总体描述及流程图DES是一个分组加密算法，它以64位为分组对数据加密。64位一组的明文从算法的一端输入，64位的密文从另一段输出。它是一个对称算法：加密和解密用的是同一个算法。密钥通常表示为64位的数，但每个第8位都用作奇偶校验，可以忽略，所以密钥长度为56位。密钥可以是任意的56位的数，且可在任意的时候改变。对于任意的加密方案，总有两个输入：明文和密钥。DES的明文长为6

3、4位，密钥长为56位。明文的处理一般经过三个阶段：首先，64位的明文经过初始置换（IP）而被重新排列。然后经历16轮相同函数的作用，每轮作用都有置换和代替。最后一轮迭代的输出有64位，它是输入明文和密钥的函数。其左半部分和右半部分互换产生预输出。最后预输出再被与初始置换（IP）互逆的置换产生64位的密文。DES算法只不过是加密的两个基本技术一一混乱和扩散的组合，即先代替后置换，它基于密钥作用于明文，这是一轮（round）,DES在明文分组上实施16轮相同的组合技术。如下图所示：5型阴文您胡64btl密文图1DES算法总体描述二者唯一的不同就是密钥的次DES使得用相同的函数来加密或解密每个分组成

4、为可能,序相反。1.2 DES加解密算法原理DES对64位明文分组进行操作。通过一个初始置换，将明文分组分成左半部分和右半部分，各32位长。然后进行16轮完全相同的运算，这些运算被称为函数f,在运算过程中数据与密钥结合。经过16轮后，左、右半部分合在一起经过一个末置换（初始置换的逆置换），算法就完成了。在每一轮中，密钥位移位，然后再从密钥的56位中选出48位。通过一个扩展置换将数据的右半部分扩展成48位，并通过一个异或操作与48位密钥结合，通过8个S盒将这48位替代成新的32位数据，再将其置换一次。这四步运算构成了函数f。然后，通过另一个异或运算，函数f的输出与左半部分结合，其结果即成为新的左

5、半部分。将该操作重复16次，便实现了DES的16轮运算。一轮DES如下图所示：图2DES算法一轮迭代的过程假设Bi是第i次迭代的结果，Li和Ri是Bi的左半部分和右半部分，Ki是第i轮的48位密钥，且f是实现代替、置换及密钥异或等运算的函数，那么每一轮就是：Li=R-1R=Li-1f(Ri-1,Ki)2程序代码#include#includeusingnamespacestd;conststaticcharip=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,

6、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;/初始置换conststaticcharfp=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;con

7、ststaticcharsbox864=/*si*/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,

8、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*/末置换/s_box7,13,14,3,0,6,9,10,1,2,8,5,11,12,4,15,13,8,11,5,6,15,0,3,4,7,2,12,1,10,14,9,10,6,9,0,12,1

9、1,7,13,15,1,3,14,5,2,8,4,3,15,0,6,10,1,13,8,9,4,5,11,12,7,2,14,/*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, 15,4,2,7,12,9,5,6,1,13,14,0,1

10、1,3,8,9,14,15,5,2,8,12,3,7,0,4,10,1,13,11,6,4,3,2,12,9,5,15,10,11,14,1,7,6,0,8,13,/*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

11、,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;/压缩置换conststaticcharrar=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;conststaticcharei=32,1,2,3,4,5,4,5,6,7,

12、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,/扩展置换24,25,26,27,28,29,28,29,30,31,32,1)；/P置换conststaticcharPzh=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);conststaticcharKeyrar=57,49,41,33,25,17,9,1,58,50,42,34,26,18,10,2,59,5

13、1,43,35,27,9,11,3,60,52,44,36,63,55,47,39,31,23,15,7,62,54,46,38,30,22,14,6,61,53,45,37,29,21,13,5,28,20,12,4;boolkey1648=0,/*rekey1648,*/charkey_in8;voidByteToBit(bool*Out,char*In,intbits)inti;for(i=0;i(i%8)&1;voidBitToByte(char*Out,bool*In,intbits)for(inti=0;ibits/8;i+)Outi=0;for(i=0;ibits;i+)Outi

14、/8|=Ini(i%8);/|=voidXor(bool*InA,constbool*InB,intlen)for(inti=0;ilen;i+)InAgnBi;voidkeyfc(char*In)inti,j=0,mov,k;boolkey056,temp,keyin64;ByteToBit(keyin,In,64);for(i=0;i56;i+)/字节到位的转换/位到字节转换组合了位操作符和赋值操作符的功能/按位异或/获取密钥函数/字节到位的转换/密钥压缩为56位key0i=keyinKeyrari-1;for(i=0;i16;i+)/16轮密钥产生if(i=0|i=1|i=8|i=15)

15、mov=1;elsemov=2;for(k=0;kmov;k+)/分左右两块循环左移for(intm=0;m8;m+)temp=key0m*7;for(j=m*7;jm*7+7;j+)key0j=key0j+1;key0m*7+6=temp;temp=key00;for(m=0;m27;m+)key0m=key0m+1;key027=temp;temp=key028;for(m=28;m55;m+)key0m=key0m+1;key055=temp;for(j=0;j48;j+)/压缩置换并储存keyij=key0rarj-1;voidDES(charOut8,charIn8,boolMS)加

16、密核心程序，ms=0时加密，反之解密boolMW64,tmp32,PMW64;boolkzmw48,keytem48,ss32;inthang,lie;ByteToBit(PMW,In,64);for(intj=0;j64;j+)MWj=PMWipj-1;/初始置换bool*Li=&MW0,*Ri=&MW32;for(inti=0;i48;i+)右明文扩展置换kzmwi=Rieii-1;if(MS=0)/DES加密过程for(intlun=0;lun16;lun+)for(i=0;i32;i+)ssi=Rii;for(i=0;i48;i+)/右明文扩展置换kzmwi=Rieii-1;/注意指针

17、for(i=0;i48;i+)keytemi=keyluni;/轮密钥Xor(kzmw,keytem,48);/*S盒置换*/for(i=0;i8;i+)(hang=kzmwi*6*2+kzmwi*6+5;lie=kzmwi*6+1*8+kzmwi*6+2*4+kzmwi*6+3*2+kzmwi*6+4;tmpi*4+3=sboxi(hang+1)*16+lie%2;tmpi*4+2=(sboxi(hang+1)*16+lie/2)%2;tmpi*4+1=(sboxi(hang+1)*16+lie/4)%2;tmpi*4=(sboxi(hang+1)*16+lie/8)%2;for(inti=

18、0;i32;i+)/P置换Rii=tmpPzhi-1;Xor(Ri,Li,32);/异或for(i=0;i32;i+)/交换左右明文Lii=ssi;for(i=0;i32;i+)tmpi=Lii;Lii=Rii;Rii=tmpi;for(i=0;i=0;lun-)for(i=0;i32;i+)ssi=Rii;for(inti=0;i48;i+)右明文扩展置换kzmwi=Rieii-1;/注意指针for(i=0;i48;i+)keytemi=keyluni;/轮密钥Xor(kzmw,keytem,48);/*S盒置换*/for(i=0;i8;i+)hang=kzmwi*6*2+kzmwi*6+5

19、;lie=kzmwi*6+1*8+kzmwi*6+2*4+kzmwi*6+3*2+kzmwi*6+4;tmpi*4+3=sboxi(hang+1)*16+lie%2;tmpi*4+2=(sboxi(hang+1)*16+lie/2)%2;tmpi*4+1=(sboxi(hang+1)*16+lie/4)%2;tmpi*4=(sboxi(hang+1)*16+lie/8)%2;for(i=0;i32;i+)/P置换Rii=tmpPzhi-1;Xor(Ri,Li,32);/异或for(i=0;i32;i+)/交换左右明文Lii=ssi;for(i=0;i32;i+)tmpi=Lii;Lii=Rii

20、;Rii=tmpi;for(i=0;i64;i+)PMWi=MWfpi-1;BitToByte(Out,PMW,64);/位到字节的转换voidmain()charKi8,jm8,final8;inti0;cout请输入密钥(8字节)：endl;for(i0=0;i0Kii0;keyfc(Ki);cout请输入明文(8字节)：endl;for(i0=0;i0jmi0;DES(final,jm,0);cout加密后：endl;/力口密for(i0=0;i08;i0+)coutfinali0;coutendl;cout解密后：endl;DES(jm,final,1);/解密for(i0=0;i08

21、;i0+)coutjmi0;coutendl;2.1 初始置换初始置换在第一轮运算之前进行，对输入分组实施如下表所示的变换。初始置换把明文的第58位换到第1位的位置，把第50位换到第2位的位置，把第42位换到第3位的位置,依此类推。58,50,42,34,26,18,10,2,60,52,44,36,28,20,12,462,54,46,38,30,22,14,6,64,56,48,40,32,24,16,857,49,41,33,25,17,9,1,59,51,43,35,27,19,11,361,53,45,37,29,21,13,5,63,55,47,39,31,23,15,7初始置换和

22、对应的末置换并不影响DES的安全性，它们的主要目的是为了更容易地将明文和密文数据以字节大小放入DESK片中。2.2 密钥置换T首操就器之旦k1置操选库工佟卜二I吉惧民择?卢3ts图3密钥置换过程由于不考虑每个字节的第8位，DES的密钥由64位减至56位，每个字节第8位作为奇偶校验以确保密钥不发生错误。如下表所示:57,49,41,33,25,17,9,1,58,50,42,34,26,1810,2,59,51,43,35,27,19,11,3,60,52,44,3663,55,47,39,31,23,15,7,62,54,46,38,30,2214,6,61,53,45,37,29,21,13

23、,5,28,20,12,4在DES的每一轮中，从56位密钥产生出不同的48位子密钥（subkey），这些子密钥是这样确定的：首先，56位密钥被分成两部分，每部分28位。然后，根据轮数，这两部分分别循环左移1位或2位。每轮移动的位数如下表:2345678910111213141516位数1122222212移动后，就从56位中选出48位。这个运算既置换了每位的顺序，也选择了子密钥，被称为压缩置换(compressionpermutation)。下表即定义了压缩置换：14,17,11,24,1,5,3,28,15,6,21,1023,19,12,4,26,8,16,7,27,20,13,241,5

24、2,31,37,47,55,30,40,51,45,33,4844,49,39,56,34,53,46,42,50,36,29,32可以看出，第33位的那一位在输出时移到了第35位，而处于第18位的那一位被忽略2.3 扩展置换这个运算将数据的右半部分从32位扩展到48位。这个操作两方面的目的：它产生了与密钥同长度的数据以进行异或运算；它提供了更长的结果，使得在替代运算中能进行压缩。对每个4位输入分组，第1位和第4位分别表示输出分组中的两位，而第2位和第3位分别表示输出分组中的一位，下表给出了哪一输出位对应哪一输入位：32,1,2,3,4,5,4,5,6,7,8,98,9,10,11,12,13

25、,12,13,14,15,16,1716,17,18,19,20,21,20,21,22,23,24,2524,25,26,27,28,29,28,29,30,31,32,1处于输入分组中第3位的位置移到了输出分组中的第4位，而输入分组的第21位则移到了输出分组的第30位和第32位。尽管输出分组大于输入分组，但每一个输入分组产生唯一的输出分组。2.4 S盒代替R=(h国？1.3iitehrnni-RinrrTHmill切inirriurn图4扩展、s盒选择代替压缩后的密钥与扩展分组异或以后，将48位的结果送入，进行代替运算。替代由8个S盒完成，每一个S盒都由6位输入，4位输出，且这8个S盒是不

26、同的。48位的输入被分为8个6位的分组，每一个分组对应一个S盒代替操作：分组1由S盒1操作，分组2由S盒2操作，等等。如下图所示：每一个S盒是一个4行、16列的表。盒中的每一项都是一个4位的数。S盒白6个位输入确定了其对应的输出在哪一行哪一列。下表列出所有8个S盒：S盒1:14,4,13,1,2,15,11,8,3,10,6,12,5,9,0,70,15,7,4,14,2,13,1,10,6,12,11,9,5,3,84,1,14,8,13,6,2,11,15,12,9,7,3,10,5,015,12,8,2,4,9,1,7,5,11,3,14,10,0,6,13S盒2:15,1,8,14,6

27、,11,3,4,9,7,2,13,12,0,5,103, 13,4,7,15,2,8,14,12,0,1,10,6,9,11,50,14,7,11,10,4,13,1,5,8,12,6,9,3,2,1513,8,10,1,3,15,4,2,11,6,7,12,0,5,14,9S盒3:10,0,9,14,6,3,15,5,1,13,12,7,11,4,2,813,7,0,9,3,4,6,10,2,8,5,14,12,11,15,113,6,4,9,8,15,3,0,11,1,2,12,5,10,14,71,10,13,0,6,9,8,7,4,15,14,3,11,5,2,12S盒4:7,13,1

28、4,3,0,6,9,10,1,2,8,5,11,12,4,1513,8,11,5,6,15,0,3,4,7,2,12,1,10,14,910, 6,9,0,12,11,7,13,15,1,3,14,5,2,8,43, 15,0,6,10,1,13,8,9,4,5,11,12,7,2,14S盒5:2,12,4,1,7,10,11,6,8,5,3,15,13,0,14,914,11,2,12,4,7,13,1,5,0,15,10,3,9,8,64, 2,1,11,10,13,7,8,15,9,12,5,6,3,0,1411, 8,12,7,1,14,2,13,6,15,0,9,10,4,5,3S盒

29、6:12, 1,10,15,9,2,6,8,0,13,3,4,14,7,5,1113, 15,4,2,7,12,9,5,6,1,13,14,0,11,3,89,14,15,5,2,8,12,3,7,0,4,10,1,13,11,64,3,2,12,9,5,15,10,11,14,1,7,6,0,8,13S盒7:4,11,2,14,15,0,8,13,3,12,9,7,5,10,6,113,0,11,7,4,9,1,10,14,3,5,12,2,15,8,61,4,11,13,12,3,7,14,10,15,6,8,0,5,9,26,11,13,8,1,4,10,7,9,5,0,15,14,2,3,12S盒8:1,15,13,8,10,3,7,4,12,5,6,1