DES加密解密课程设计报告.docx

成都信息工程学院
课程设计报告

DES算法加密与解密的设计与实现

课程名称： 密码算法程序设计
学生姓名：
学生学号：
专业班级：
任课教师：

XX年 XX 月 XX 日

指导老师评阅成绩表
学习与工作态度（30%）
选题意义（10%）
研究水平与设计能力（25%）
课程设计说明说（论文）撰写质量（25%）
设计创新（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
选题意义
10
9
8
7
6
4

研究水平与设计能力
25
23
20
18
15
10

课程设计说明书（论文）撰写质量
25
23
20
18
15
10

设计创新
10
9
8
7
6
4

答辩效果
30
28
25
22
19
15

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背景 1
1.1 DES算法概述 1
1.2 DES算法描述 1
2系统设计 3
2.1系统主要目标 3
2.2系统运行环境 4
3功能需求分析 4
3.1整体功能分析 4
3.2 DES算法一轮的功能分析 4
4模块划分 5
4.1 初始置换 5
4.2 轮结构 6
4.2.1 E盒扩充变换 6
4.2.2 S盒压缩变换 7
4.2.3 P盒置换 7
4.3 逆初始置换 8
5程序分模块实现 8
5.1将字符串转换成二进制流 8
5.2子密钥的产生 9
5.3F函数的计算 9
5.4 16轮加密的实现 10
5.5把密钥，密文，明文的二进制转换为10进制 11
5.6解密的实现 11
5.7程序运行界面预览 11
6测试报告 11
6.1程序总体运行情况 12
6.2密钥中间过程 12
6.3加密过程的中间结果 13
6.4解密过程的中间结果 14
7课程报告总结 14

1背景
1.1 DES算法概述
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。
1.2 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1-1是DES加密算法的加密流程。图1-2是密钥扩展处理过程。

图1-1DES加密算法流程

图1-2子密钥产生流程
2系统设计
2.1系统主要目标
（1）用C++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ASCII码，长度都为8个字符，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，要求输出第15、16轮的密钥，以及第15、16轮加密或解密之后的值，16进制表示；
（4）程序有良好的人机交互操作；
（5）要求从两个文件分别读取明文和密钥，并在程序中输出明文及密钥；
（6）要求提供所设计系统的报告及完整的软件。
2.2系统运行环境
本软件用C语言编写，编写时所用的工具主要是Microsoft Visual C++6.0。编辑成功后的.EXE文件可以在装有windows系统的任何计算机上使用。
测试平台：Windows 7旗舰版
使用软件：Microsoft Visual C++6.0

3功能需求分析
3.1整体功能分析

3.2 DES算法一轮的功能分析

4模块划分
4.1 初始置换
首先输入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3-1所示。

图4-1 初始置换表
4.2 轮结构
经过DES算法第一阶段的初始置换得到的64比特块分为两部分，前32位为左半部分，后32位为右半部分，如上面图3-2所示，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。具体过程为：下一轮左半部分32比特Li等于上一轮右半部分32比特Ri-1；而下一轮右半部分的32比特Ri的计算则是由上一轮右半部分Ri-1和轮密钥Ki输入到F函数中进行变换，变换结果与上一轮左半部分Li进行异或运算，得到Ri。因此每一轮的变换可由下面公式表示：
Li=R1-1
Ri=Li-1⊕F(Ri-1,Ki)
4.2.1 E盒扩充变换
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比特按照8行4列方式依次排列，形成一个8*4矩阵，然后E盒扩展之后输出8*6矩阵。

图4-2 E盒扩展
4.2.2 S盒压缩变换
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，进入S盒变换，48比特压缩为32比特。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盒如下：

4.2.3 P盒置换
S盒输出的32比特经过P盒置换，重新编排32比特的位置。下图为P盒置换过程。

图4-3P盒置换
4.3 逆初始置换
DES算法进行完16轮运算之后，需要进行逆初始置换，逆初始置换正好为初始置换的逆，如一个矩阵进行初始置换之后输出，在进行依次逆初始置换的输出结果为初始矩阵。
5程序分模块实现
5.1将字符串转换成二进制流
用ToBin（）函数把输入的明文、密钥、密文转换为二进制流，其中p是输入的字符串，b是转换后的二进制流。
void To2Bin(char p[],int b[]) {
int i=0,k=0;
for(i=0;i<8;i++)
{
int j=0x80;
for(;j;j>>=1)
{
if(j&p[i])
{
b[k++]=1;
}
else
{
b[k++]=0;
}
}
}
}
5.2子密钥的产生
子密钥产生函数：SubKey（），其中参数K0为输入的密钥。用到Replacement（）函数，此函数实现密钥PC_1置换，和PC_2置换。Lif_move()函数实现每一轮的左移位功能。
void SubKey(int K0[]) //子密钥产生函数
{
int i=0;
int K1[56],K2[56];
int C[17][28],D[17][28];

Replacement(K0,PC_1,K1,56); //密钥置换PC_1
for(i=0;i<28;i++) //将PC_1输出的56比特分为左右两部分
{
C[0][i]=K1[i];
D[0][i]=K1[i+28];
}
i=0;
while(i<16)
{
int j;
lif_move(C[i],C[i+1],move_times[i]);
lif_move(D[i],D[i+1],move_times[i]);
for(j=0;j<28;j++)
{
K2[j]=C[i+1][j];
K2[j+28]=D[i+1][j];
}
Replacement(K2,PC_2,K[i],48); //密钥置换PC_2
i++;
}
}
5.3F函数的计算
F函数为加密做准备，其中的Replacement()实现E盒扩展，P盒置换。S_compress（）函数实现S盒的压缩变化。
void F_Function(int a[32],int b[32],int n) //F函数
{
int i;
int tmp[48];
int tep[32];

Replacement(a,E_Table,tmp,48);
for(i=0;i<48;i++)
{
tmp[i]=tmp[i]^K[n][i];
}
S_compress(tmp,tep);

Replacement(tep,P_Table,b,32);
}
5.4 16轮加密的实现
Encryption（）函数实现16轮加密，其中F_Function（）函数即为F函数。
void Encryption(int m0[64],int c1[64])
{
int i,k;
int arry[32];
int c0[64],m1[64];

Replacement(m0,IP_Table,m1,64); //初始置换IP
for(i=0;i<32;i++)
{
L[0][i]=m1[i];
R[0][i]=m1[i+32];
}
k=1;
while(k<17)
{
F_Function(R[k-1],arry,k-1);
for(i=0;i<32;i++)
{
L[k][i]=R[k-1][i];
R[k][i]=L[k-1][i]^arry[i];
}
k++;
}
for(i=0;i<32;i++)
{
c0[i]=R[16][i];
c0[i+32]=L[16][i];
}
Replacement(c0,IP_1_Table,c1,64); //逆初始置换

}
5.5把二进制转换为10进制
转换为十进制是为输出16进制做准备，To10（）函数把每四个字节转换成一个10进制数。
5.6解密的实现
解密函数Decryption（），解密过程中先有change（）函数把密钥互换，然后用和加密相同的算法则可正确解密。
5.7程序运行界面预览

可根据需要选择加密和解密，加密又可选择直接输入明文和密钥或是从文件读取明文和密钥。
6测试报告
测试明文：12345678
测试密钥：12345678
6.1程序总体运行情况
加密情况：

6.2密钥中间过程
16轮子密钥如下：

子密钥生成过程中的值:

经过测试这些函数，能够得到正确的16轮密钥
6.3加密过程的中间结果
初始二进制明文和密钥：

初始IP：

第一轮E盒扩展结果：

第一轮S盒输出：

第一轮P盒置换结果：

IP逆置换：

经过对个函数的测试，能正确加密。
6.4解密过程的中间结果
解密的密钥还是加密时的密钥，得到16轮子密后，将顺序全部颠倒一下。因为解密过程与加密过相返。
准备解密的密文：

初始IP：

第一次E盒扩展：

第一次S盒压缩：

第一次P盒置换：

解密后的二进制结果：

经过对个函数的测试，能正确加密。
7课程报告总结
通过这次程序设计，我学到了很多东西，首先更深入的理解了DES算法，不仅完完全全弄懂了DES算法的各个过程，像密钥产生过程中的左移位、S盒的压缩变换等，也能一一实现。其次也提高了编程技巧，在处理一些问题时能选择较佳的方法。
因为在做这个软件的时候看了很多别人的代码，所以我还是学到了不少东西，我看到别人的封装更好，代码也整洁，使用一些更好的实现方法。再看我代码，我就感觉我的代码重用率很差。还有一些编程方面的习惯也不太好。通过此次实践我发现很多不足，以后还要去弥补这些不足。

参考文献：
[1] 谭浩强　C程序设计（第三版） 清华大学出版社　2009
[2]　张世斌 万武南 张金全　孙宣东 现代密码学　西安电子科技大学出版社　2009