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一、实验目的及要求
1. 掌握DES算法的原理
2. 编写程序实现这个算法
二、实验设备（环境）及要求
PC机, VC++等
三、实验内容与步骤
1、DES算法（对代码中的主要内容进行分析讲解）
步骤：
（1）先编写头文件DES.h，对DES所需的表（置换IP表、逆置换IP表、扩展置换表、单纯换位表、PC1选位表(密钥生成置换表1)、PC2选位表(密钥生成置换表2)、S盒等）进行定义。
（2）输入密钥，char型的密钥转化为Bit型的，接着根据头文件定义的PC1选位表(密钥生成置换表1)进行变换后，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，再根据头文件定义的PC2选位表(密钥生成置换表2)进行变换，从而便得到了密钥K0（48位）。16次循环对应得到子密钥K0、K1……K15。
（3）接着将输入的明文先将char型的明文转化为Bit型的，接着根据头文件定义的置换IP表进行变换。
（4）经过初始置换后，64位的数据块分为两个32位的组，L0和R0。然后根据头文件定义的E位选择表(扩展置换表)进行扩展置换，将Ri-1从32位扩展到48位，接着，计算出48位的结果值与这一轮子密钥Ki的异或值。
（5）接着，需要通过8个单独的S盒执行8次替换操作，
（6）根据P换位表(单纯换位表)进行换位。
（7）然后对第4-6循环16轮。
（8）最后根据逆置换IP-1表进行变换得出密文。
代码：
//DES.h
#include <iostream>
using namespace std;
class DES_Key {
public:
bool Bit_Key[64]; //64位初始秘钥
bool Round_Key[16][48]; //16轮子秘钥，每个子秘钥有48位,每位为0/1
DES_Key(char Char_Key[8]); //轮秘钥生成函数
};
void CharToBit(bool *Output, const char *Input); // 字节组转换成位组
void RotateL(bool *Input,int len);
void Transform(bool *Output, bool *Input, const int *Table, int Tablelen);
void Xor(bool *InputA, const bool *InputB, int len);
void Des_Run(char *Mingwen,DES_Key DES_Key); //核心加密算法
void F_func(bool *R, bool *Key); //F函数
void S_func(bool *Output, bool *Input); //S函数
void ShowInHex(const bool Input[64]); //把密文显示为16进制
//置换IP表
const static int IP_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
};
//逆置换IP-1表
const static int IPR_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
};
//E位选择表(扩展置换表)
static const int E_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
};
//P换位表(单纯换位表)
const static int P_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
};
//PC1选位表(密钥生成置换表1)
const static int PC1_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
};
//PC2选位表(密钥生成置换表2)
const static int PC2_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
};
//左移位数表
const static int LOOP_Table[16] = {
1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1
};
// S盒
const static int S_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
};
//DES.CPP
#include "DES.h"
int main() {
//******************Input*********************
char Char_Key[9] = {0,};
cout << "请输入8位的key" << endl;
cin >> Char_Key;
char Char_Mingwen[9] = { 0, };
cout << "请输入8位的明文" << endl;
cin >> Char_Mingwen;
//******************Input********************
DES_Key Input_Key(Char_Key);
Des_Run(Char_Mingwen,Input_Key);
system("pause");
return 0;
}
DES_Key::DES_Key(char Char_Key[8]) {
//将char类型的密码转换为Bit形式
CharToBit(Bit_Key, Char_Key);
//置换选择1
Transform(Bit_Key, Bit_Key, PC1_Table, 56);
bool *C0 = &Bit_Key[0]; //0~27
bool *D0 = &Bit_Key[28]; //28~55
for (int i = 0; i < 16; i++) {
RotateL(C0, LOOP_Table[i]);
RotateL(D0, LOOP_Table[i]);
Transform(Round_Key[i], Bit_Key, PC2_Table, 48);
}
}
void Xor(bool *InputA, const bool *InputB, int len) {
for (int i = 0; i < len; i++) {
InputA[i] = InputA[i] ^ InputB[i];
}
}
void CharToBit(bool *Output, const char *Input) {
for (int i = 0; i<64; i++) {
Output[i] = (Input[i / 8] << (i % 8)) & 0x80;
}
}
void Transform(bool *Output, bool *Input, const int *Table, int Tablelen) {
bool temp[256];
for (int i = 0; i < Tablelen; i++) {
temp[i] = Input[Table[i] - 1];
}
memcpy(Output, temp, Tablelen);
}
void RotateL(bool *Input, int len) {
bool temp[28];
memcpy(temp, &Input[len], 28 - len);
memcpy(&temp[28 - len], Input, len);
memcpy(Input, temp, 28);
}
void S_func(bool *Output, bool *Input) {
for (int i = 0; i < 8; i++) {
int row = 2 * Input[6*i] + 1 * Input[6 * i+5];
int col = 8 * Input[6*i+1] + 4 * Input[6 * i+2] + 2 * Input[6 * i+3] + 1 * Input[6 * i+4];
int s_result = S_Box[i][row][col];
for (int j = 0; j < 4; j++) {
Output[4*i+j] = (s_result << j) & 0x8;
}
}
}
void F_func(bool *R, bool *Key) {
bool Ex_R[48];
//扩展置换
Transform(Ex_R, R, E_Table, 48);
Xor(Ex_R, Key, 48);
S_func(R, Ex_R);
Transform(R, R, P_Table, 32);
}
void Des_Run(char *Mingwen, DES_Key DES_Key) {
bool Bit_Mingwen[64];
CharToBit(Bit_Mingwen, Mingwen);
//置换IP
Transform(Bit_Mingwen, Bit_Mingwen, IP_Table, 64);
bool *L0 = &Bit_Mingwen[0];
bool *R0 = &Bit_Mingwen[32];
//16轮迭代
for (int i = 0; i < 16; i++) {
bool temp[32];
memcpy(temp, R0, 32);
F_func(R0, DES_Key.Round_Key[i]);
Xor(R0, L0, 32);
memcpy(L0, temp, 32);
}
bool temp[32];
memcpy(temp, R0, 32);
memcpy(R0, L0, 32);
memcpy(L0, temp, 32);
Transform(Bit_Mingwen, Bit_Mingwen, IPR_Table, 64);
ShowInHex(Bit_Mingwen);
}
void ShowInHex(const bool Input[64]) {
unsigned int Hex[16] = { 0 };
cout << "密文为" << endl;
for (int i = 0; i<16; i++) {
Hex[i] = 8 * Input[0 + i * 4] + 4 * Input[1 + i * 4] + 2 * Input[2 + i * 4] + 1 * Input[3 + i * 4];
}
for (int i = 0; i<16; i++) {
cout << hex << Hex[i];
}
cout << endl;
}
四、实验结果与数据处理
1.密钥：hdfkadss 明文：asdewqre
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五、分析与讨论
经过这次实验，我认为DES的安全性依赖于虚假表象，从密码学的术语来讲就是依赖于“混乱和扩散”的原则。混乱的目的是为隐藏任何明文同密文、或者密钥之间的关系，而扩散的目的是使明文中的有效位和密钥一起组成尽可能多的密文。两者结合到一起就使得安全性变得相对较高。
DES算法具体通过对明文进行一系列的排列和替换操作来将其加密。过程的关键就是从给定的初始密钥中得到16个子密钥的函数。要加密一组明文，每个子密钥按照顺序（1-16）以一系列的位操作施加于数据上，每个子密钥一次，一共重复16次。每一次迭代称之为一轮。要对密文进行解密可以采用同样的步骤，只是子密钥是按照逆向的顺序（16-1）对密文进行处理。
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