des课程设计

DES加解密算法的实现

一、DES算法的概述

DES（Data Encryption Standard）是由美国IBM公司于20世纪70年代中期的一个密码算（LUCIFER）发展而来，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，在过去的20多年时间里，DES被广泛应用于美国联邦和各种商业信息的保密工作中，经受住了各种密码分析和攻击，有很好的安全性。然而，目前DES算法已经被更为安全的Rijndael算法取代，但是DES 加密算法还没有被彻底的破解掉，仍是目前使用最为普遍的对称密码算法。所以对DES的研究还有很大价值，在国内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，以此来实现关键的数据保密，如信用卡持卡人的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。

DES算法是一种采用传统的代替和置换操作加密的分组密码，明文以64比特为分组，密钥长度为64比特，有效密钥长度是56比特，其中加密密钥有8比特是奇偶校验，DES的加密和解密用的是同一算法，它的安全性依赖于所用的密钥。它首先把需要加密的明文划分为每64比特的二进制的数据块，用56比特有效密钥对64比特二进制数据块进行加密，每次加密可对64比特的明文输入进行16

轮的替换和移位后，输出完全不同的64比特密文数据。由于DES

算法仅使用最大为64比特的标准算法和逻辑运算，运算速度快，密

钥容易产生，适合于在大多数计算机上用软件快速实现，同样也适合于在专用芯片上实现。

二、DES算法描述

DES算法的加密过程首先对明文分组进行操作，需要加密的明文分组固定为64比特的块。图2-1是DES加密算法的加密流程。图2-2是密钥扩展处理过程。

图2-1

图2-2

三、DES算法的实现

DES算法的加密与解密过程互逆，我们以加密算法为例，一步一步实现加密。

1、子密钥的产生

由于子密钥产生与DES加密过程相互独立，所以我们先实现子密钥函数。64比特的密钥生成16个48比特的子密钥。其生成过程如图1-2.

a. 首先我们这里64比特密码用的是16位十六进制的数转换为64比特。

b. 然后经过置换选择1.如图3-1

图3-1

用函数的实现方法是，首先将PC-1表存起来，然后循环每次对照表，依次取出密钥数组对应的比特。

c .接下来我们要将得到的56比特，前28位赋值给C[28];后28位赋值给D[28]。

d .接下来左右部分分别按照LS[1]，循环左移，第一位移动到第28位。每一轮移动的位数都是在上一轮移动结束的基础上再移动LS[n]位（n<17)，所以第n轮移动的位数实际上为LS数组前n项的和（为方便，LS[1]代表第一轮，LS[0]=0)。

LS数组如下图3-2：

图3-2

e .将移动结束后的C[28],D[28]结合为K[56],按照IP2表如图3-3进行置换输出。

图3-3

对应函数代码如下：

// change 函数将一位16进制转换为4位2进制

void change (int a,int N [4])

{

int i,b;

i=3;

while(a!=0)

{

b=a%2;

a=a/2;

N [i]=b;

i--;

}

if(i>=0)

while(i>=0)

N[i--]=0;

}

//密钥产生函数，三个参数分别表示：MW代表64位密钥，n 表示

要求第几轮子密钥，key 为子密钥

void KeyProd (int mw[8][8],int n,int key [48])

{

int a,i,h,l,j,N,tem,hm,lm,t;

int d [28];

int kt [56];

int c [28];

int k[56];

int ls[17]={0,1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1}; //LS数组int ip1 [8][7]={ {57,49,41,33,25,17,9}, //IP1置换表

{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} } ;

int pc2[48]={14,17,11,24,1,5,3,28, //IP2置换表

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};

i=0;

for(h=0;h<8;h++) //遍历IP1表，取出来密钥表中对应的数值，依次赋值给KT[56]

for(l=0;l<7;l++)

{ a=ip1[h][l];

if(a%8==0)

{ hm=a/8-1;

lm=7;

}

else

{

hm=a/8;

lm=a%8-1;

}

kt[i++]=mw[hm][lm];

}

j=0;

for(i=0;i<28;i++) //将kt[56]前28项赋值给C[28]

c[j++]=kt[i];

t=0;

for(i=28;i<56;i++) //将kt[56]后28项赋值给D[28] d[t++]=kt[i];

N=0;

for(i=1;i<=n;i++) //求出第N轮左移的位数N N+=ls[i];

while(N) //C[28]循环左移N位{ tem=c[0];

for(i=1;i<28;i++)

c[i-1]=c[i];

c[27]=tem;

N--;

}

N=0;

for(i=1;i<=n;i++)

N+=ls[i];

while(N) ////D[28]循环左移N位

{ tem=d[0];

for(i=1;i<28;i++)

d[i-1]=d[i];

d[27]=tem;

N--;

}

for(i=0;i<28;i++) //C[28]与D[28]合并为k[56] k[i]=c[i];

for(j=0;j<28;j++)

k[i++]=d[j];

for(i=0;i<48;i++)//进行IP2置换

key[i]=k[pc2[i]-1];

}

2、明文初始置换

首先输入16位十六进制的数转换为64比特的明文块，按照初始置换（IP）表进行置换，DES初始置换表如图3-4所示算法实现仍通密钥函数相同遍历ip表取出明文中对应的比特。然后将得到的64明文前32赋值给L[32]后32位赋值给R[32].

图3-4初始置换表

代码：

//输入函数

void PUTIN(int mw[8][8])

{

char M[16];

int num[4];

int i,s,j,n,h,l;

n=0;

printf("请输入16位十六进制数:");

for(i=0;i<16;i++)

scanf("%c",&M[i]); for(i=0;i<16;n++,i++) {

if(M[i]<60)

s=M[i]-48;

else if(M[i]<90)

s=M[i]-55;

else

s=M[i]-87;

change(s,num);

if(4*(n+1)%8==0)

h=4*(n+1)/8-1; else

h=4*(n+1)/8;

if((n+1)%2==0)

l=4;

else

l=0;

for(j=0;j<4;j++)

mw[h][l++]=num[j]; }

}

//ipbiao函数将自动生成64位的ip置换表上下差2，左右差8 void ipbiao(int ip [8][8])

{

long i,j,k;

for(j=0;j<4;j++)

{

i=2+j*2;

for(k=7;k>=0;k--)

{

ip[j][k]=i;

i+=8;

}

}

for(j=4;j<8;j++)

{

i=1+(j-4)*2;

for(k=7;k>=0;k--)

{

ip[j][k]=i;

i+=8;

}

}

}

//初始置换函数将64bit 按ip表重新排列void InitRep (int mw [8][8],int tem[8][8]) {

int i,j,h,l,a;

int ip[8][8];

ipbiao(ip); //产生ip表函数

for(i=0;i<8;i++)

for(j=0;j<8;j++)

{

a=ip[i][j];

if(a%8==0)

{ h=a/8-1;

l=7;

}

else

{

h=a/8;

l=a%8-1;

}

tem[i][j]=mw[h][l];

}

}

//划分函数，将64位bit 分为两个32位

void BreakLR (int tem [8][8] ,int L [32] ,int R [32])

{

int h,l,i;

i=0;

for (h=0;h<4;h++)

for(l=0;l<8;l++)

L[i++]=tem[h][l];

i=0;

for (h=4;h<8;h++)

for(l=0;l<8;l++)

R[i++]=tem[h][l];

}

3、轮加密

DES算法的论结构分为左右两部分32比特在每一轮中被独立处理。如图具体过程为：下一轮左半部分32比特等于上一轮右半部分32比特；而下一轮右半部分的32比特的计算则是由上一轮右半部分和轮密钥输入到F函数中进行变换，变换结果与上一轮左半部分进行异或运算，得到。因此每一轮的变换可由公式表示：

L（i)==R(i-1);

R(i)=L(i-1)⊕F（R（i-1），K（i））；

图3-5

a.扩张变换E

将右半部分的32比特，进行E盒扩展，扩展成为48比特。具体变换过程为把输入的32比特E盒扩展之后输出E[8][6]。E[8][6]中每一位与R[32]中的对应关系如图3—6

图3-6

代码：

//扩展函数将32位变为48位首先按R[32]一条龙对E[8][6]赋值，然后再处理多出来的16位

void Extension (int r[32],int E[8][6])

{

int i,h,l;

i=0;

while(i<32)

for(h=0;h<8;h++)

for(l=1;l<5;l++)

E[h][l]=r[i++];

E[0][0]=r[31];

E[0][5]=r[4];

i=9;

for(h=1;h<7;h++)

{

E[h][0]=r[4*h-1];

E[h][5]=r[i-1];

i=i+4;

}

E[7][0]=r[27];

E[7][5]=r[0];

}

b 异或函数

相同为假，相同为真，将E盒的输出与子密钥进行异或得到的48比特作为S盒的输入。

代码：

//异或函数r[48]为结果

void XorFun (int E[8][6],int k [48],int r [48])

{

int h,l,a;

a=0;

for(h=0;h<8;h++)

for(l=0;l<6;l++)

{

if(E[h][l]!=k[a])

r[a++]=1;

else

r[a++]=0;

}

}

c .S函数

进入S盒变换，48比特压缩为32比特如图3-7。S盒的安全性能是保证DES算法安全性的源泉，DES算法共有8个不同的S盒，每个S盒接受6位输入，输出4位。8个S盒如图3-8：

图3-7

图3-8

任取一S盒，现在分析S盒的变换过程见图3-9：

图3-9

在其输入b1,b2,b3,b4,b5,b6中，计算出x=b1*2+b6, y=b5+b4*2+b3*4+b2*8，再从S[i]表中查出x 行，y 列的值Sxy。将Sxy化为二进制，即得Si盒的输出。函数实现中将48位K [48]转换

为SI[8][6]二维数组，一次处理6比特。将8个S盒存成S[8][64]二维数组，则第i个S盒中的X行Y列转化为S[i-1][X*16+Y-1];

代码：

// F函数中的S函数

void FeiSFun(int k[48],int p [32])

{

int i,ni,pi,h,l,sh,sl,out;

int num [4];

int si[8][6];

int

s[8][64]={ {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},{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 },{ 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,

13,6,4,9,8,15,3,0,11,1,2,12,5,10,14,7,1,10,13,0,6,9,8,7,4,15,14,3,1 1,5,2,12},{ 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},{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},{12,1,10,15,9,2,6,