计算机信息安全.docx
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计算机信息安全
武汉工业学院
数学与计算机学院
《计算机信息安全》
实验报告
2014.11
1．实验题目：
DES算法实现
2．实验目的
通过DES加密算法的实现，进一步掌握DES算法的原理，了解DES算法在现实社会中的用途以及重要性，为今后的工程应用打下坚实的基础。
3．实验原理
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（如电话网）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。
DES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，整个算法的主流程图如下：
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=D58D50...D8；R0=D57D49...D7。
经过16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,
在f（Ri,Ki）算法描述图中，S1,S2...S8为选择函数，其功能是把6bit数据变为4bit数据。
下面给出选择函数Si（i=1,2......8）的功能表：
选择函数Si
S1:
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,
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:
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,
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,
10,15,4,2,7,12,9,5,6,1,13,14,0,11,3,8,
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,
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,
1,15,13,8,10,3,7,4,12,5,6,11,0,14,9,2,
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,
在此以S1为例说明其功能，我们可以看到：
在S1中，共有4行数据，命名为0，1、2、3行；每行有16列，命名为0、1、2、3，......，14、15列。
现设输入为：
D＝D1D2D3D4D5D6
令：
列＝D2D3D4D5
行＝D1D6
然后在S1表中查得对应的数，以4位二进制表示，此即为选择函数S1的输出。
下面给出子密钥Ki（48bit）的生成算法
从子密钥Ki的生成算法描述图中我们可以看到：
初始Key值为64位，但DES算法规定，其中第8、16、......64位是奇偶校验位，不参与DES运算。
故Key实际可用位数便只有56位。
即：
经过缩小选择换位表1的变换后，Key的位数由64位变成了56位，此56位分为C0、D0两部分，各28位，然后分别进行第1次循环左移，得到C1、D1，将C1（28位）、D1（28位）合并得到56位，再经过缩小选择换位2，从而便得到了密钥K0（48位）。
依此类推，便可得到K1、K2、......、K15，不过需要注意的是，16次循环左移对应的左移位数要依据下述规则进行：
循环左移位数1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1
以上介绍了DES算法的加密过程。
DES算法的解密过程是一样的，区别仅仅在于第一次迭代时用子密钥K15，第二次K14、......，最后一次用K0，算法本身并没有任何变化。
4．实验环境
运行windows操作系统的PC机，具有VC、C、VB等语言编译环境。
5．实验程序：
Des.h文件：
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
enum{ENCRYPT,DECRYPT};
//enumbool{false,true};//ifboolisnotsupported,usethisorjustreplacewithchar
//anduse1fortrue,0forfalse;
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//Type—ENCRYPT:
加密,DECRYPT:
解密
//输出缓冲区（Out）的长度>=（（datalen+7）/8）*8,即比datalen大的且是8的倍数的最小正整数
//In可以=Out,此时加/解密后将覆盖输入缓冲区（In）的内容
//当keylen>8时系统自动使用3次DES加/解密,否则使用标准DES加/解密.超过16字节后只取前16字节
boolDes_Go（char*Out,char*In,longdatalen,constchar*Key,intkeylen,boolType=ENCRYPT）;
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
DES.cpp文件：
#include"memory.h"
#include"WjcDes.h"
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//initialpermutationIP
conststaticcharIP_Table[64]={
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
};
//finalpermutationIP^-1
conststaticcharIPR_Table[64]={
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
};
//expansionoperationmatrix
staticconstcharE_Table[48]={
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
};
//32-bitpermutationfunctionPusedontheoutputoftheS-boxes
conststaticcharP_Table[32]={
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
};
//permutedchoicetable（key）
conststaticcharPC1_Table[56]={
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
};
//permutedchoicekey（table）
conststaticcharPC2_Table[48]={
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
};
//numberleftrotationsofpc1
conststaticcharLOOP_Table[16]={
1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1
};
//The（in）famousS-boxes
conststaticcharS_Box[8][4][16]={
//S1
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,
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
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,
//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,
10,15,4,2,7,12,9,5,6,1,13,14,0,11,3,8,
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,
//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,
1,15,13,8,10,3,7,4,12,5,6,11,0,14,9,2,
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
};
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
typedefbool（*PSubKey）[16][48];
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
staticvoidDES（charOut[8],charIn[8],constPSubKeypSubKey,boolType）;//标准DES加/解密
staticvoidSetKey（constchar*Key,intlen）;//设置密钥
staticvoidSetSubKey（PSubKeypSubKey,constcharKey[8]）;//设置子密钥
staticvoidF_func（boolIn[32],constboolKi[48]）;//f函数
staticvoidS_func（boolOut[32],constboolIn[48]）;//S盒代替
staticvoidTransform（bool*Out,bool*In,constchar*Table,intlen）;//变换
staticvoidXor（bool*InA,constbool*InB,intlen）;//异或
staticvoidRotateL（bool*In,intlen,intloop）;//循环左移
staticvoidByteToBit（bool*Out,constchar*In,intbits）;//字节组转换成位组
staticvoidBitToByte（char*Out,constbool*In,intbits）;//位组转换成字节组
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
staticboolSubKey[2][16][48];//16圈子密钥
staticboolIs3DES;//3次DES标志
staticcharTmp[256],deskey[16];
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//CodestartsfromLine130
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
boolDes_Go（char*Out,char*In,longdatalen,constchar*Key,intkeylen,boolType）
{
if（!
（Out&&In&&Key&&（datalen=（datalen+7）&0xfffffff8）））
returnfalse;
SetKey（Key,keylen）;
if（!
Is3DES）{//1次DES
for（longi=0,j=datalen>>3;iDES（Out,In,&SubKey[0],Type）;
}else{//3次DES加密:
加（key0）-解（key1）-加（key0）解密:
:
解（key0）-加（key1）-解（key0）
for（longi=0,j=datalen
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