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des算法实现课程设计大学毕设论文 通达学院课程设计报告（ 2022/ 2022学年第 1 学期） 题目： DES算法实现 专业计算机科学与技术（信息安全） 学生姓名 班级学号 指导教师王波 指导单位计算机学院信息安全系 日期 DES算法的实现 一、课题内容和要求 对称加密就是加密和解密所用的密钥是一样的，加密的强度很大程度上在于密钥的强度以及加密算法的保密，最常见的对称加密算法有DES、IDEA、RC4、RC5等。本设计题要求实现DES加密和解密算法，能对文件实现加解密。 二、对设计要求的理解 DES是一个分组密码算法，使用64位密钥（除去8位奇偶校验，实际密钥长度为56位）对64比特的数据分组（二进制数据）加密，产生64位密文数据。DES是一个对称密码体制，加密和解密使用同意密钥，解密和加密使用同一算法（这样，在硬件与软件设计时有利于加密单元的重用）。DES的所有的保密性均依赖于密钥。 程序主要采取对数据的位操作的形式，把明密文文件中的内容以字节为单位读取，每次读取8个byte共65bits，然后使用标准DES的算法依次对读取的64bits明密文进出加解密处理。文件的路径的输入有比较严格的格式约束。如：盘符名：文件名.txt 格式错误则会导致文件打开失败，不能进行加解密操作。 三、概要设计 这个程序主要是 DES算法部分的加密和解密，还有后面对文件的操作。 程序主要流程图如下： 图-1 程序流程图 这个程序的关键在DES算法的操作，主要有下的主要步骤： 1.初始置换 IP； 2.子密钥 Ki 的获取； 3.密码函数 f ； 4.尾置换 IP-1 ； 下面是具体的几个过程： 1）初始置换IP 这一部分很简单，IP（initial permutation）是一个 8x8 的置换表： int IP = 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, 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 ; 根据表中的规定，将输入的 64 位明文重新进行排序，即将第 58 位放到第 1 位，第 50 位放到第 2 位以此类推。初始置换以后得到的是一个 64 位的输出。 2）子密钥 Ki 的获取 用户输出的密钥是 64 位的，根据密钥置换表PC-1，将 64 位变成 56 位密钥。（去掉了奇偶校验位）将 PC-1 置换得到的 56 位密钥，分为前28位 C0 和后28位 D0，分别对它们进行循环左移，C0左移得到 C1，D0 左移得到 D1。将 C1 和 D1 合并成 56 位，然后通过PC-2表进行压缩置换，得到当前这一轮的 48 位子密钥 K1 。然后对 C1 和 D1 进行左移和压缩置换，获取下一轮的子密钥一共进行16轮，得到 16 个 48 位的子密钥。 3）密码函数 f 密码函数f(R, K)接受两个输入：32 位的数据和 48 位的子密钥。然后： 通过表 E 进行扩展置换，将输入的 32 位数据扩展为 48 位； 将扩展后的 48 位数据与 48 位的子密钥进行异或运算； 将异或得到的 48 位数据分成 8 个 6 位的块，每一个块通过对应的一个 S 表产 生一个 4 位的输出。 其中，每个 S 表都是 4 行 16 列。具体的置换过程如下：把 6 位输入中的第 1 位和第 6 位取出来行成一个两位的二进制数 x ，作为 Si 表中的行数（03）；把 6 位 输入的中间 4 位构成另外一个二进制数 y，作为 Si 表的列数（015）；查出 Si 表中 x 行 y 列所对应的整数，将该整数转换为一个 4 位的二进制数。 把通过 S 表置换得到的 8 个 4 位连在一起，形成一个 32 位的数据。然后将该 32 位数据通过表 P 进行置换（称为P-置换），置换后得到一个仍然是 32 位的结果数 据，这就是f(R, K)函数的输出。 4）尾置换IP-1 合并 L16 和 R16 得到一个 64 位的数据，再经过尾置换后得到的就是 64 位的密文。注意：要将 L16和 R16 合并成 R16L16（即左右互换）。尾置换表IP-1如下：int IP_1 = 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; 四、关键技术难点分析 在 DES 算法的实现中，我用 C+ STL 中的bitset来操作二进制位。下面是对一个 64 位数据进行加密解密的源代码： bitset key; / 64位密钥 bitset subKey16; / 存放16轮子密钥 / 初始置换表 int IP = 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, 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 ; / 结尾置换表 int IP_1 = 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 ; /*-下面是生成密钥所用表-*/ / 密钥置换表，将64位密钥变成56位 int PC_1 = 57, 49, 41, 33, 25, 17, 9, 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 ; / 压缩置换，将56位密钥压缩成48位子密钥 int PC_2 = 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 ; / 每轮左移的位数 int shiftBits = 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1 ; /*-下面是密码函数f 所用表-*/ / 扩展置换表，将32位扩展至48位 int E = 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 ; / S盒，每个S盒是4x16的置换表，6位-> 4位 int S_BOX8416 = 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 , 1,10,13,0,6,9,8,7,4,15,14,3,11,5,2,12 , 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 , 12,1,10,15,9,2,6,8,0,13,3,4,14,7,5,11 , 10,15,4,2,7,12,9,5,6,1,13,14,0,11,3,8 , 9,14,15,5,2,8,12,3,7,0,4,10,1,13,11,6 , 4,3,2,12,9,5,15,10,11,14,1,7,6,0,8,13 , 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 , 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 ; / P置换，32位-> 32位 int P = 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 ; /*/ /* */ /* 下面是DES算法实现*/ /* */ /*/ /* * 密码函数f，接收32位数据和48位子密钥，产生一个32位的输出 */ bitset f(bitset R, bitset k) bitset expandR; / 第一步：扩展置换，32 -> 48 for (int i = 0; i 32 bitset tmp = output; for (int i = 0; i= 0; -i) if (i - shift> j) & 1); return bits; /* * DES加密 */ bitset encrypt(bitset& plain) bitset cipher; bitset currentBits; bitset left; bitset right; bitset newLeft; / 第一步：初始置换IP for (int i = 0; i<64; +i) currentBits63 - i = plain64 - IPi; / 第二步：获取Li 和Ri for (int i = 32; i<64; +i) lefti - 32 = currentBitsi; for (int i = 0; i<32; +i) righti = currentBitsi; / 第三步：共16轮迭代 for (int round = 0; round<16; +round) newLeft = right; right = left f(right, subKeyround); left = newLeft; / 第四步：合并L16和R16，注意合并为R16L16 for (int i = 0; i<32; +i) cipheri = lefti; for (int i = 32; i<64; +i) cipheri = righti - 32; / 第五步：结尾置换IP-1 currentBits = cipher; for (int i = 0; i<64; +i) cipher63 - i = currentBits64 - IP_1i; / 返回密文 return cipher; /* * DES解密 */ bitset decrypt(bitset& cipher) bitset plain; bitset currentBits; bitset left; bitset right; bitset newLeft; / 第一步：初始置换IP for (int i = 0; i<64; +i) currentBits63 - i = cipher64 - IPi; / 第二步：获取Li 和Ri for (int i = 32; i<64; +i) lefti - 32 = currentBitsi; for (int i = 0; i<32; +i) righti = currentBitsi; / 第三步：共16轮迭代（子密钥逆序应用） for (int round = 0; round<16; +round) newLeft = right; right = left f(right, subKey15 - round); left = newLeft; / 第四步：合并L16和R16，注意合并为R16L16 for (int i = 0; i<32; +i) plaini = lefti; for (int i = 32; i<64; +i)
