网络安全DES算法实现大作业报告

./基于DES算法的数据加密解密的软件实现摘要随着信息社会的到来,人们在享受信息资源所带来的巨大的利益的同时,也面临着信息安全的严峻考验。信息安全已经成为世界性的现实问题,信息安全问题已威胁到国家的政治、经济、军事、文化、意识形态等领域,同时,信息安全问题也是人们能否护自己的个人隐私的关键。信息安全是社会稳定安全的必要前提条件。本文是一篇讨论关于常用文件加密解密算法的技术调研论文,它详细的讲述了文件加密解密算法实现的过程中所用到的方法、技术。对公钥密码体制和私钥密码体制进行了分析和研究,并对公钥密码体制和私钥密码体制的代表DES算法进行了研究。关键字：文件解密,文件加密,密码体制,DES。第一章DES算法的技术背景介绍1.1背景与意义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的安全工作中,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,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、加汕站、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,如信用卡人的PIN码加密伟输,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。1.2系统设计1.2.1系统主要目标基本要求部分：1．能够对一个明文分组进行加密,加密后能够正确解密。2．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。3．程序有良好的人机交互操作。较高要求部分：1．如果明文不止一个分组,程序能完成分组,然后加密；最后一个分组长度不足时要求完成填充。2．密钥采用ASCII码,明文输入信息可以是文字〔可以是汉字或英文,要求不止一个加密分组长度,任意字符。进行加密后,能够进行正确的解密。3.程序代码有比较好的结构,模块划分合理,用类进行封装,通过调用类的成员函数实现加密解密功能。运行环境本软件用C#语言编写,编写时所用的工具主要是VisualStudio。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：WindowsXPProfessional使用软件：MicrosoftVisualStudio2005。功能模块密钥模块、加密模块、解密模块。第二章相关技术的介绍和发展2.1DES算法介绍DES算法为密码体制中的对称密码体制,又被成为美国数据加密标准,是1972年美国IBM公司研制的对称密码体制加密算法。其密钥长度为56位,明文按64位进行分组,将分组后的明文组和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。DES加密算法特点：分组比较短、密钥太短、密码生命周期短、运算速度较慢。DES工作的基本原理是,其入口参数有三个:key、data、mode。key为加密解密使用的密钥,data为加密解密的数据,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。DES<DataEncryptionStandard>算法,于1977年得到美国政府的正式许可,是一种用56位密钥来加密64位数据的方法。虽然56位密钥的DES算法已经风光不在,而且常有用Des加密的明文被破译的报道,但是了解一下昔日美国的标准加密算法总是有益的,而且目前DES算法得到了广泛的应用,在某些场合,仍然发挥着余热。2.2问题解决思路基本要求部分能够对一个明文分组进行加密,加密后能够正确解密。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。程序有良好的人机交互操作。较高要求部分如果明文不止一个分组,程序能完成分组,然后加密；最后一个分组长度不足时要求完成填充。密钥采用ASCII码,明文输入信息可以是文字〔可以是汉字或英文,要求不止一个加密分组长度,任意字符。进行加密后,能够进行正确的解密。程序代码有比较好的结构,模块划分合理,用类进行封装,通过调用类的成员函数实现加密解密功能。2.3DES算法的发展历程本世纪五十年代以来,密码学研究领域出现了最具代表性的两大成就。其中之一就是1971年美国学者塔奇曼〔Tuchman和麦耶〔Meyer根据信息论创始人香农〔Shannon提出的"多重加密有效性理论"创立的,后于1977年由美国国家标准局颁布的数据加密标准。DES密码实际上是Lucifer密码的进一步发展。它是一种采用传统加密方法的区组密码。它的算法是对称的,既可用于加密又可用于解密。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：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,同时又要便于理解和掌握DES密码体制的安全性应该不依赖于算法的,其安全性仅以加密密钥的为基础实现经济,运行有效,并且适用于多种完全不同的应用。1977年1月,美国政府颁布：采纳IBM公司设计的方案作为非数据的正式数据加密标准〔DES枣DataEncryptionStandard。目前在这里,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,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性,这正是现在金融交易网络的流行做法。第三章DES算法的应用3.1DES算法详述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：40,8,48,16,56,24,64,32,39,7,47,15,55,23,63,31,38,6,46,14,54,22,62,30,37,5,45,13,53,21,61,29,36,4,44,12,52,20,60,28,35,3,43,11,51,19,59,27,34,2,42,10,50,18,5826,33,1,41,9,49,17,57,25,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16,7,20,21,29,12,28,17,1,15,23,26,5,18,31,10,2,8,24,14,32,27,3,9,19,13,30,6,22,11,4,25,3.2功能模块的应用密钥模块privatevoidKey<stringstr>//此函数用来获取密钥的数组str是密钥字符串,最后得到钥密二进制数组.用一个类成员数组key来存放。privatevoidKeyBuild<>//此函数用来构造16轮子密钥privatevoidKeycreate<int[]midkey2,intmovebit,intn>//此函数用来实现循环左移,同时进行PC2置换上面二个函数用来产生16轮密钥,最后存放在类成员二维数组keyArray中。privatevoidShowKey<>//此函数用来显示密钥3.2.2加密模块privatevoidbutton2_Click<objectsender,EventArgse>//加密事件加密事件包含了ArrayDes<>函数;privatevoidArrayDes<>//此函数用来对明文分组加密ArrayDes<>包含PlainArray<>、Key<>、KeyBuild<>、Keycreate〔、ShowKey<>和Des〔函数,privatevoidPlainArray<stringstr>//此函数用来获取明文字符串的二进制数组。privatevoidDes<int[,]plain,int[]key,intn>//DES加密函数3.2.3解密模块privatevoidbutton4_Click<objectsender,EventArgse>//解密事件privatevoidExchange<>//此函数用来交换16轮密钥,把第一轮作最后一轮privatevoidArrayDecode<>//此函数用来分组解密privatevoidEncodeArray<stringst>//此函数用来对16进制的密文转成二进制privatevoidDecode<refint[,]plain,int[]key,intn>//解密函数第四章DES周边技术发展4.1基本要求部分初始置换IP将IP盒分为左32位和 右32位,将明文左32位和右32位分别进行IP置换,最后既实现了IP置换,同时还将明文分成了左32位和右32位,为下一步做好了准备。for<i=0;i<32;i++>{lData[i]=Encode[IP1[i]-1];rData[i]=Encode[IP1[i+32]-1];}循环变量i用来找到IP盒中下标为i的数,IP[i]取出该数,由于计算机中下标是从零开始计算的,而IP[i]表的是明文二进制中第几个数,所以应置换成明文二进制中第IP[i]-1那个数。4.1.2E盒扩展privatevoidEChange<refint[]rData,refint[]rDataP>{for<inti=0;i<48;i++>{rDataP[i]=rData[E[i]-1];}}rData表示要传入的右32位二进制明文,rDataP表示经过E盒变化后的要传回的48位。道理和IP置换差不多。也是找到E盒中相应的数,然后减1找到rData中相应的数,然后存到rDataP中。4.1.3与密钥进行异或for<i=0;i<48;i++>{rDataP[i]=rDataP[i]^keyArray[k,i];}keyArray数组中存放的是16伦密钥,k表示第几伦,是从0开始计数的。rDataP是从E盒中出来的48位二进,变化完后,依然存在rDataP数组中.4.1.4S盒变换for<i=0;i<48;i+=6>{n=i/6;linex=<rDataP[i]<<1>+rDataP[i+5];liney=<rDataP[i+1]<<3>+<rDataP[i+2]<<2>+<rDataP[i+3]<<1>+rDataP[i+4];FillBin<refrData,n,S[n,linex,liney]>;}Linex变量指S盒的第几行,liney变量指S盒的第几列."rDataP[i]<<1”n=i/6;表示第几个S盒。实例把101101代入:linex=<<rDataP[0]=1><<1>+<rDataP[0+5]=1>="10”+"1”=2+1=3;同理可以算出liney=6;FillBin<>参数rData用来输出S盒变换后的32二进制,n第几个S盒,S[n,linex,liney]对应S盒中的相应数.下面是FillBin的具体代码:privatevoidFillBin<refint[]rData,intn,ints>{int[]temp=newint[4];inti;for<i=0;i<4;i++>//将S盒中的数转成四位二制数{temp[i]=s%2;s=s/2;}for<i=0;i<4;i++>//将每次的四位二进制数存32位rData数组中{rData[n*4+i]=temp[3-i];}}4.1.5P置换运算for<i=0;i<32;i++>{temp[i]=rData[i];}先将经过S盒代替的32位存入temp[]数组中,主要原因是这里输入的32位和输出的32位都是存在rData[]数组中,如果用不同的数组来存放可以不用进行这一步。for<i=0;i<32;i++>{rData[i]=temp[P[i]-1];}4.1.6与左32位进行异或for<i=0;i<32;i++>{rData[i]=lData[i]^rData[i];}左322位与右32位异或后依然存放在rData[]数组中,作为下一轮的右32位输入.4.1.7逆IP置换privatevoidIP2Change<refint[]lData,refint[]rData,refint[]Encode>{int[]temp=newint[64];inti;for<i=0;i<32;i++>{temp[i]=rData[i];temp[i+32]=lData[i];}for<i=0;i<64;i++>{Encode[i]=temp[IP2[i]-1];}}本来最后一轮不应该交换左32位与右32位,但之前我们同样将它们交换了,然后在IP逆置换中将它们再交换回来。这里的temp[]数组就是用实现它们的交换。然后再进行IP逆置换。4.1.8DES加密函数privatevoidDes<int[,]plain,int[]key,intn>{int[]lData=newint[32],rData=newint[32],temp=newint[32],rDataP=newint[48];int[]Encode=newint[64];inti;BuildEncode<reflData,refrData,refEncode,n>;PlainData<reflData,refrData,refEncode>;for<intk=0;k<16;k++>{for<i=0;i<32;i++>{temp[i]=rData[i];}EChange<refrData,refrDataP>;for<i=0;i<48;i++>{rDataP[i]=rDataP[i]^keyArray[k,i];}SChange<refrDataP,refrData>;PChange<refrData>;for<i=0;i<32;i++>{rData[i]=lData[i]^rData[i];}for<i=0;i<32;i++>{lData[i]=temp[i];}}IP2Change<reflData,refrData,refEncode>;for<i=0;i<64;i++>{strkey[i]=Encode[i];}}BuildEncode<reflData,refrData,refEncode,n>函数所有明文二进制数组中选出64位,并将它们分成左32位和右32位,rData[]存放右32位,lData存放左32位,Encode[]存放64位.n表示对文明进行分组加密中的第几组.PlainData<reflData,refrData,refEncode>进行IP置换for<i=0;i<32;i++>{temp[i]=rData[i];}每一轮进行变化之前先将右32位存入temp[]数组中,作为下一轮的左32位输入。这个循环与下面一起实现该功能for<i=0;i<32;i++>{lData[i]=temp[i];}4.1.9密钥交换privatevoidExchange<>{int[,]key1=newint[16,48];inti,j;for<i=0;i<16;i++>{for<j=0;j<48;j++>{key1[i,j]=keyArray[i,j];}}for<i=0;i<16;i++>{for<j=0;j<48;j++>{keyArray[15-i,j]=key1[i,j];}}}解密时先要将16轮密钥进行交换。Decode<>解密函数privatevoidDecode<refint[,]plain,int[]key,intn>{int[]lData=newint[32],rData=newint[32],temp=newint[32],rDataP=newint[48];int[]Encode=newint[64];inti;BuildEncode<reflData,refrData,refEncode,n>;PlainData<reflData,refrData,refEncode>;for<intk=0;k<16;k++>{for<i=0;i<32;i++>{temp[i]=rData[i];}EChange<refrData,refrDataP>;for<i=0;i<48;i++>{rDataP[i]=rDataP[i]^keyArray[k,i];}SChange<refrDataP,refrData>;PChange<refrData>;for<i=0;i<32;i++>{rData[i]=lData[i]^rData[i];}for<i=0;i<32;i++>{lData[i]=temp[i];}}IP2Change<reflData,refrData,refEncode>;for<i=0;i<64;i++>{strkey[i]=Encode[i];}}解密函数一开始也是进行IP置换,而不是进行IP逆置换,因为上一轮结束时的IP逆置换和解密开始的IP置换相乘够成单位矩阵。4.2较高要求部分1．实现了对任意长度的明文都能加密。最后一个明文长度不足时在后面添加二进制零,补足64明文二进制。密钥部分通过设定密钥输入框的属性来限定密钥长度最长为8个字符,当不足8个字符时,弹出友好的提示框,提醒用户输入8个字符。2．密钥用ASCII码,即一个字符用8位二进制数表示。明文可以是任意字符〔汉字和英文,明文一个字符用16位二进制数表示。3．程序代码有比较好的结构,模块划分合理,所有功能都用类成员函数实现,整个软件用一个类实现。4．界面友好,各种输入输出方便。4.2.1分组加密实现对明文用电码本模式进行分组加密,每一个字符16位二进制,4个字符一个明文分组。相同的明文分组,将得到相同的十六进制字符。4.2.2明文分组最后分组的填充在明文字符串转二进制时,就在一个大数组后面加零,最后计算加密轮数时分二种情况,一种情况是刚好最后一个分组明文就完了,另外一种情况是最后一个分组不足时,加密轮数为：明文字符串长度/4+1。实现代码如下：if<richTextBox1.TextLength%4!=0>{for<intn=0;n<4*<richTextBox1.TextLength/4+1>;n=n+4>{Des<a,key,n>;ShowCiphertext<>;}}else{for<intn=0;n<richTextBox1.TextLength;n=n+4>{Des<a,key,n>;ShowCiphertext<>;}}第五章DES算法的发展趋势AES——对称密码新标准对称密码体制的发展趋势将以分组密码为重点。分组密码算法通常由密钥扩展算法和加密〔解密算法两部分组成。密钥扩展算法将b字节用户主密钥扩展成r个子密钥。加密算法由一个密码学上的弱函数f与r个子密钥迭代r次组成。混乱和密钥扩散是分组密码算法设计的基本原则。抵御已知明文的差分和线性攻击,可变长密钥和分组是该体制的设计要点。AES是美国国家标准技术研究所NIST旨在取代DES的21世纪的加密标