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des算法实现课程设计
通达学院课程设计Ⅱ报告
（2016/2017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
评分细则
评分项
优秀
良好
中等
差
遵守机房规章制度
上机时的表现
学习态度
程序准备情况
程序设计能力
团队合作精神
课题功能实现情况
算法设计合理性
用户界面设计
报告书写认真程度
内容详实程度
文字表达熟练程度
回答问题准确度
简短评语
教师签名：
年月日
评分等级
备注
评分等级有五种：
优秀、良好、中等、及格、不及格
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（initialpermutation）是一个8x8的置换表：
intIP[]={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（0~3）；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（0~15）；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：
intIP_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<64>key;//64位密钥
bitset<48>subKey[16];//存放16轮子密钥
//初始置换表
intIP[]={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
intIP_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
intPC_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
intPC_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
intshiftBits[]={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
intE[]={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
intS_BOX[8][4][16]={
{
{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
intP[]={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<32>f（bitset<32>R,bitset<48>k）
{
bitset<48>expandR;
//第一步：
扩展置换，32->48
for（inti=0;i<48;++i）
expandR[47-i]=R[32-E[i]];
//第二步：
异或
expandR=expandR^k;
//第三步：
查找S_BOX置换表
bitset<32>output;
intx=0;
for（inti=0;i<48;i=i+6）
{
introw=expandR[47-i]*2+expandR[47-i-5];
intcol=expandR[47-i-1]*8+expandR[47-i-2]*4+expandR[47-i-3]*2+expandR[47-i-4];
intnum=S_BOX[i/6][row][col];
bitset<4>binary（num）;
output[31-x]=binary[3];
output[31-x-1]=binary[2];
output[31-x-2]=binary[1];
output[31-x-3]=binary[0];
x+=4;
}
//第四步：
P-置换，32->32
bitset<32>tmp=output;
for（inti=0;i<32;++i）
output[31-i]=tmp[32-P[i]];
returnoutput;
}
/**
*对56位密钥的前后部分进行左移
*/
bitset<28>leftShift（bitset<28>k,intshift）
{
bitset<28>tmp=k;
for（inti=27;i>=0;--i）
{
if（i-shift<0）
k[i]=tmp[i-shift+28];
else
k[i]=tmp[i-shift];
}
returnk;
}
/**
*生成16个48位的子密钥
*/
voidgenerateKeys（）
{
bitset<56>realKey;
bitset<28>left;
bitset<28>right;
bitset<48>compressKey;
//去掉奇偶标记位，将64位密钥变成56位
for（inti=0;i<56;++i）
realKey[55-i]=key[64-PC_1[i]];
//生成子密钥，保存在subKeys[16]中
for（intround=0;round<16;++round）
{
//前28位与后28位
for（inti=28;i<56;++i）
left[i-28]=realKey[i];
for（inti=0;i<28;++i）
right[i]=realKey[i];
//左移
left=leftShift（left,shiftBits[round]）;
right=leftShift（right,shiftBits[round]）;
//压缩置换，由56位得到48位子密钥
for（inti=28;i<56;++i）
realKey[i]=left[i-28];
for（inti=0;i<28;++i）
realKey[i]=right[i];
for（inti=0;i<48;++i）
compressKey[47-i]=realKey[56-PC_2[i]];
subKey[round]=compressKey;
}
}
/**
*工具函数：
将char字符数组转为二进制
*/
bitset<64>charToBitset（constchars[8]）
{
bitset<64>bits;
for（inti=0;i<8;++i）
for（intj=0;j<8;++j）
bits[i*8+j]=（（s[i]>>j）&1）;
returnbits;
}
/**
*DES加密
*/
bitset<64>encrypt（bitset<64>&plain）
{
bitset<64>cipher;
bitset<64>currentBits;
bitset<32>left;
bitset<32>right;
bitset<32>newLeft;
//第一步：
初始置换IP
for（inti=0;i<64;++i）
currentBits[63-i]=plain[64-IP[i]];
//第二步：
获取Li和Ri
for（inti=32;i<64;++i）
left[i-32]=currentBits[i];
for（inti=0;i<32;++i）
right[i]=currentBits[i];
//第三步：
共16轮迭代
for（intround=0;round<16;++round）
{
newLeft=right;
right=left^f（right,subKey[round]）;
left=newLeft;
}
//第四步：
合并L16和R16，注意合并为R16L16
for（inti=0;i<32;++i）
cipher[i]=left[i];
for（inti=32;i<64;++i）
cipher[i]=right[i-32];
//第五步：
结尾置换IP-1
currentBits=cipher;
for（inti=0;i<64;++i）
cipher[63-i]=currentBits[64-IP_1[i]];
//返回密文
returncipher;
}
/**
*DES解密
*/
bitset<64>decrypt（bitset<64>&cipher）
{
bitset<64>plain;
bitset<64>currentBits;
bitset<32>left;
bitset<32>right;
bitset<32>newLeft;
//第一步：
初始置换IP
for（inti=0;i<64;++i）
currentBits[63-i]=cipher[64-IP[i]];
//第二步：
获取Li和Ri
for（inti=32;i<64;++i）
left[i-32]=currentBits[i];
for（inti=0;i<32;++i）
right[i]=currentBits[i];
//第三步：
共16轮迭代（子密钥逆序应用）
for（intround=0;round<16;++round）
{
newLeft=right;
right=left^f（right,subKey[15-round]）;
left=newLeft;
}
//第四步：
合并L16和R16，注意合并为R16L16
for（inti=0;i<32;++i）
plain[i]=left[i];
for（inti=32;i<64;++i）
plain[i]=right[i-32];
//第五步：
结尾置换IP-1
currentBits=plain;
for（inti=0;i<64;++i）
plain[63-i]=currentBits[64-IP_1[i]];
//返回明文
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