DES加密解密算法的实现(Java基本要求)

PAGE成都信息工程学院课程设计报告DES加密解密算法的实现(Java)课程名称：应用密码算法程序设计学生姓名：李文浩学生学号：2007122054专业班级：信安072班任课教师：万武南2009年11附件：课程设计成绩评价表附件：课程设计成绩评价表学习与工作态度（30%）选题的价值与意义（10%）文献综述（10%）研究水平与设计能力（20%）课程设计说明说（论文）撰写质量（20%）学术水平与创新（10%）总分指导老师签名：年月日课程设计答辩记录及评价表学生讲述情况教师主要提问记录学生回答问题情况答辩评分评分项目分值评价参考标准评分总分优良中及格差选题的价值与意义1098764文献综述1098764研究水平与设计能力201917151310课程设计说明书（论文）撰写质量201917151310学术水平与创新1098764答辩效果302825221915是否同意论文（设计）通过答辩□同意□不同意答辩小组成员签名答辩小组组长签名：年月日课程设计成绩评定表成绩汇总评分项目评分比例分数课程设计总分指导老师评分50%答辩小组评分50%

目录1．引言 11.1背景 11.2目的 11.3本设计的主要任务 12.系统设计 22.1系统主要目标 22.1.1主要软件需求（运行环境） 22.2系统结构 22.2.2软件操作流程 22.2.3功能模块 33系统功能程序设计 33.1循环移位 33.2获取RoundKey 43.3IP置换,逆置换,E扩展，置换P 53.4Fnew函数(F函数) 53.5异或 73.6S盒代替 73.7十六进制转二进制 73.8二进制转十六进制 83.9加密 93.10解密 93.11程序界面预览 104.测试报告 115．结论 14参考文献 14第13页共14页1．引言1.1背景数据加密标准(DataEncryptionStandard,，DES)曾被美国国家标准局(NBS，现为国家标准与技术研究所NIST)确定为联邦信息处理标准(FIPSPUB46)，得到过广泛使用，特别是在金融领域，曾是对称密码体制事实上的世界标准。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，智能卡，加油站，高速公路收费站等领域被广泛使用，以此来实现关键数据加密，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起源于1973年美国国家标准局NBS征求国家密码标准方案。IBM就提交了其在20世纪60年代末设立的一个计算机密码编码学方面的研究项目的结果，这个项目在1971年结束时研制出了一种称为Lucifer算法。它是当时提出来的最好的算法，因而在1977年被选为数据加密标准，有效期为5年，随后在1983年、1987年、和1993年三次再度授权该算法续用5年。DES使用一个56位的密钥以及附加的8位奇偶校验位，产生最大64位的分组大小。这是一个迭代的分组密码，使用称为Feistel的技术，其中将加密的文本块分成两半。使用子密钥对其中一半应用循环功能，然后将输出与另一半进行“异或”运算；接着交换这两半，这一过程会继续下去，但最后一个循环不交换。DES使用16个循环。1.2目的在一些特殊场合，人们交换信息并不希望被其他人知道，需要把消息进行一系列转换后在公共信道中传输，接收方再通过一些手段将消息转换回来，本程序用DES对称密钥加密算法加解密一组长度为64bit的十六进制数，达到保密传递信息的目的.1.3本设计的主要任务根据DES加密算法实现一组长度为64bit的十六进制数加密解密。向用户提供良好的交互，具有良好的操作性。可完成一个明文分组的加解密，明文和密钥是十六进制，长度都为64比特（16个16进制数），输入明文和密钥，输出密文，进行加密后，能够进行正确的解密；程序运行时，要求输出每一轮使用的密钥，以及每一轮加密或解密之后的16进制表示的值。2.系统设计2.1系统主要目标2.1.1主要软件需求（运行环境）本软件适用java语言编写，编译成功后的.class文件可以在装有JDK开发环境的任何计算机上使用。本软件设计符合DES程序设计基本要求：（1）在深入理解DES加密/解密算法理论的基础上，设计一个DES加密/解密软件系统；（2）完成一个明文分组的加解密，明文和密钥是十六进制，长度都为64比特（16个16进制数），输入明文和密钥，输出密文，进行加密后，能够进行正确的解密；（3）程序运行时，要求输出每一轮使用的密钥，以及每一轮加密或解密之后的16进制表示的值；（4）要求提供所设计系统的报告及完整的软件。输入： 加密：8字节定长的十六进制明文(16个十六进制数)。 解密：8字节定长的十六进制密文(16个十六进制数)。输出： 加密：8字节定长的十六进制已加密的密文(16个十六进制数)。 解密：8字节定长的十六进制的正常解密的明文(16个十六进制数)。测试平台：WindowsVistaHomeBasic/WindowsXPProfessional2.2系统结构2.2.2软件操作流程加密：（1）按提示选择“1”进行加密过程，程序将正常执行下面的加密过程。（2）按提示输入你加密所需要的长度为16个十六进制的密钥。（3）按提示输入你要加密的长度为16个十六进制的明文。（4）加密后，每轮加密结果和最终加密结果(即密文)将显示给用户。解密：（1）按提示选择“0”进行解密过程，程序将正常执行下面的解密过程。（2）按提示输入你解密所需要的长度为16个十六进制的密钥。（3）按提示输入你要解密的长度为16个十六进制的密文。（4）解密后，每轮解密的结果和最终解密出的明文将显示给用户。2.2.编号模块名称模块标识1循环移位LwhDES::LeftBitMove2获取RoundKeyLwhDES::KeyInitialize3IP，IP_1,P置换，E扩展IP[],IP_1[],P[],E[]4Fnew函数(F函数)LwhDES::Fnew5异或无6S盒代替S_Box[][]7十六进制转二进制LwhDES::changeHtoB8二进制转十六进制LwhDES::changeBtoH9加密LwhDES::Encrypt10解密LwhDES::Encrypt3系统功能程序设计3.1循环移位实现循环移位，由于DES算法涉及到得只有循环左移一位或者两位，我考虑用穷举的方法，因为只有两种情况，因此用if条件语句判断每轮循环的位数。我定义了4个中间变量co,do,c1,d1存放中间结果。VoidLwhDES::LeftBitMove(int[]k,intoffset){inti;//循环移位操作函数int[]c0=newint[28];int[]d0=newint[28];int[]c1=newint[28];int[]d1=newint[28];for(i=0;i<28;i++){c0[i]=k[i];d0[i]=k[i+28];}if(offset==1){for(i=0;i<27;i++){//循环左移一位 c1[i]=c0[i+1]; d1[i]=d0[i+1]; } c1[27]=c0[0];d1[27]=d0[0];}elseif(offset==2){for(i=0;i<26;i++){//循环左移两位c1[i]=c0[i+2];d1[i]=d0[i+2];}c1[26]=c0[0];d1[26]=d0[0];c1[27]=c0[1];d1[27]=d0[1];}for(i=0;i<28;i++){k[i]=c1[i];k[i+28]=d1[i];}}3.2获取RoundKey生成轮子密钥前调用了PC1变换函数，循环过程中调用了循环移位函数和PC2变换函数，最终生成了KeyArray[16][48]的轮子密钥。int[][]LwhDES::KeyInitialize(int[]key){inti;intj;int[][]keyarray=newint[16][48];int[]K0=newint[56];for(i=0;i<56;i++){K0[i]=key[PC_1[i]-1];//密钥进行PC-1变换}for(i=0;i<16;i++){LeftBitMove(K0,LeftMove[i]);for(j=0;j<48;j++){keyarray[i][j]=K0[PC_2[j]-1];//生成子密钥keyarray[i][j]}}returnkeyarray;}3.3IP置换,逆置换,E扩展，置换P置换使用的是简单的查表置换，table置换，即将输出的数据与输入的数据相应的数组的对应项查出来。IP置换：for(i=0;i<64;i++){ M[i]=timeData[IP[i]-1];//明文IP变换，IP[]为IP置换表 ……}IP逆置换：for(i=0;i<64;i++){MIP_1[i]=M[IP_1[i]-1];//进行IP-1运算，IP_1[]为IP逆置换表……}E扩展：for(i=0;i<48;i++){ RE[i]=R0[E[i]-1];//经过E变换扩充，由32位变为48位}置换P：for(i=0;i<32;i++){ RP[i]=sValue[P[i]-1];//经过P变换，P[]为P置换表……}3.4Fnew函数(F函数)F函数为该加密程序最关键的地方，里面涉及到E扩展，与密钥异或，S盒压缩，P置换，每轮都要使用此函数，此函数编写的好坏很大程度上影响整个程序的执行效率。注意，此处的Fnew函数与标准F函数略有不同，Fnew函数将F函数后Lo,Ro的异或和换位都已经实现。VoidLwhDES::privatevoidLoopF(int[]M,inttimes,intflag,int[][]keyarray){inti,j;int[]L0=newint[32];int[]R0=newint[32];int[]L1=newint[32];int[]R1=newint[32];int[]RE=newint[48];//存放经过E扩展的消息int[][]S=newint[8][6];//存放成8行六列，以便进行S盒压缩int[]sBoxData=newint[8];//每一行查出的数int[]sValue=newint[32];//int[]RP=newint[32];//经过置换P的数for(i=0;i<32;i++){ L0[i]=M[i];//明文左侧的初始化 R0[i]=M[i+32];//明文右侧的初始化}for(i=0;i<48;i++){ RE[i]=R0[E[i]-1];//经过E变换扩充，由32位变为48位 RE[i]=RE[i]+keyarray[times][i];//与KeyArray[times][i]按位作不进位加法运算if(RE[i]==2){//与48位密钥异或 RE[i]=0;}}for(i=0;i<8;i++){ //48位分成8组 for(j=0;j<6;j++){ /每组六位 S[i][j]=RE[(i*6)+j]; }//下面经过S盒，得到8个数 sBoxData[i]=S_Box[i][(S[i][0]<<1)+S[i][5]][(S[i][1]<<3)+(S[i][2]<<2)+(S[i][3]<<1)+S[i][4]];//8个数变换输出二进制 for(j=0;j<4;j++){ sValue[((i*4)+3)-j]=sBoxData[i]%2;//从右边一位一位的取数存放 sBoxData[i]=sBoxData[i]/2; }}for(i=0;i<32;i++){ RP[i]=sValue[P[i]-1];//经过P变换 L1[i]=R0[i];//右边移到左边R1[i]=L0[i]+RP[i];if(R1[i]==2){//异或 R1[i]=0;}//重新合成M，返回数组M//最后一次变换时，左右不进行互换。此处采用两次变换实现不变if(((flag==0)&&(times==0))||((flag==1)&&(times==15))) { M[i]=R1[i]; M[i+32]=L1[i];} else { M[i]=L1[i]; M[i+32]=R1[i];}}}3.5异或Java语言我使用”^”符号进行异或，结果没有成功，于是利用循环实现各个位相加，再每位检查，若等于2，则置为0。for(i=0;i<48;i++){…… RE[i]=RE[i]+keyarray[times][i];//两个数进行不进位加法if(RE[i]==2)//若加出的结果为2则置为0，实现了异或{ RE[i]=0;}}3.6S盒代替S盒替换采用了将48个bit数先分为8组，每一组对应一个S盒，再通过行列计算查出S表里的十进制值，再转化为二进制。int[]RE=newint[48];int[][]S=newint[8][6];int[]sBoxData=newint[8];int[]sValue=newint[32];for(i=0;i<8;i++) //48位分成8组{ for(j=0;j<6;j++) //每组6位 { S[i][j]=RE[(i*6)+j]; }//下面经过S盒，得到8个数 sBoxData[i]=S_Box[i][(S[i][0]<<1)+S[i][5]][(S[i][1]<<3)+(S[i][2]<<2)+(S[i][3]<<1)+S[i][4]];//8个数变换输出二进制 for(j=0;j<4;j++) { sValue[((i*4)+3)-j]=sBoxData[i]%2; sBoxData[i]=sBoxData[i]/2; }}3.7十六进制转二进制本函数主要用于十六进制数向二进制数的转换，十六进制数只有十六种情况，本程序使用穷举方法，利用switch、case语句实现十六进制对二进制的转换，避免移位出现不可预计的错误。int[]LwhDES::changeHtoB(Strings)//实现十六进制到二进制的转换； { int[]Message=newint[64]; StringBufferbuf=newStringBuffer(); Stringstr=s; Stringmessage=""; inti,j; for(i=0;i<str.length();i++){ charch=str.charAt(i); switch(ch){ case'0':message="0000";break;case'1':message="0001";break; case'2':message="0010";break;case'3':message="0011";break; …… case'e':message="1110";break;case'f':message="1111";break; default:break; }buf=buf.append(message); } //System.out.print(buf); for(j=0;j<64;j++) { if(buf.charAt(j)=='0') {Message[j]=0;} elseMessage[j]=1; } returnMessage;}3.8二进制转十六进制本函数主要用于将结果二进制数转换成十六进制向用户输出，实现二进制转十六进制数，即4个bool型变量转化为一个十六进制数，先将bool流写入StringBuffer，再调用toString转化成字符串，对字符串进行取子串，再调用Integer.toHexString方法转换为十六进制。StringLwhDES::changeBtoH(int[]data){//实现二进制到十六进制的转换；StringBufferbuf=newStringBuffer();Strings=newString();for(inti=0;i<data.length;i++) { if(data[i]==0)buf.append('0'); elseif(data[i]==1)buf.append('1'); }Stringstring=buf.toString();//形成一个全是bool变量(0或1)的字符串inttemp=0;StringBufferoutputbuf=newStringBuffer();Strings1=string.substring(0,data.length);for(inti=0;i<s1.length()/4;i++) //每四位取一次，表示一个十六进制数 {temp=Integer.valueOf(s1.substring(i*4,(i+1)*4),2);outputbuf=outputbuf.append(Integer.toHexString(temp));}//System.out.print(outputbuf);s=outputbuf.toString();returns;}3.9加密加密过程其实就是调用以写好的模块，对消息进行16次迭代加密，但在每一轮中要进行中间一些加密结果的显示，又因为加密和解密我写在了同一个Encrypt函数里，因此只用标志位flag区别加解密，1为加密，0为解密。int[]LwhDES::Encrypt(int[]timeData,intflag,int[][]keyarray){inti;intflags=flag;int[]M=newint[64];int[]MIP_1=newint[64];for(i=0;i<64;i++){ M[i]=timeData[IP[i]-1];//明文IP变换}if(flags==1){//加密 for(i=0;i<16;i++) {Fnew(M,i,flags,keyarray); //注意，LoopF函数将每轮迭代运算的Li=Ri-1,//Ri=Li-1^F(Ri-1,Ki)一起写了进去……//显示中间结果 }}3.10解密解密过程与加密相逆，其实也是调用写好的模块，对密文进行16次迭代解密，但在每一轮中要进行中间一些加密结果的显示，又因为加密和解密我写在了同一个Encrypt函数里，因此只用标志位flag区别加解密，1为加密，0为解密。int[]LwhDES::Encrypt(int[]timeData,intflag,int[][]keyarray){elseif(flags==0){//解密for(i=15;i>-1;i--){ Fnew(M,i,flags,keyarray);//关键的解密步骤，下面代码都是为显示中间结果 intn,j; int[]k=newint[48]; System.out.println("第"+(16-(i+1))+"轮输出的密文的十六进制形式:"); System.out.println(changeBtoH(M)); for(j=0;j<48;j++) { k[j]=keyarray[i]