（应用密码学）DES实验报告
1 DES
1.1实验目的
实验目的是理解和掌握DES密码的加密解密的过程和算法，对加密解密的运行过程有了解，提高程序设计能力。
1.2实验要求
实验要求是编写DES密码的加解密程序，运行并验证。
1.3实验原理
1.3.1 DES的基本结构
DES是一种对称密码，加密和解密用的都是同一个密钥，有效密钥长度为56位。DES是一个分组密码算法，分组长度为64位，即对数据进行加解密的单位是64位，明文和密文的长度相同。由于加密解密用的是同一算法，所以有利于硬件和软件上的实现。注意上面说的56位是有效密钥长度，事实上我们用的是64位密钥，但是第8，16，24，32，40，56和64位是奇偶校验位。
1.3.2 DES的加密过程
如图1-1所示，为DES算法的加密过程。
图 1-1 DES算法加密过程图
1、初始置换IP
将明文块的位进行换位，其置换表示固定的。如图1-2所示为8*8的初始置换表，第一位58表示该位置存放明文中的第58位字符。明文中第1位字符已经变换到40位的位置。
注意初始置换是固定公开的函数，因此没有密码的意义。作用不大，它们的作用在于打乱原来输入x的ASCII码字划分的关系。经过初始置换之后，64位明文分成了两组L和R，各32位。
经过初始置换，64位的输入得到了两个32位的输出。
图 1-2 初始置换表图
2、16轮的轮函数F变换
如图1-3所示，轮函数F由3个部分组成：扩展置换（E盒），非线性代换（S盒）和线性置换（P盒）。
图 1-3 轮函数F图
（1）选择扩展运算（E盒）
E盒的作用是将32位扩展为48位，其扩展规则按如图1-4置换表进行。该表大小为6*8，去掉最左和最右两行，中间的四列包含了1-32位的顺序。第1列和第6列分别是对第4和第1列的扩展。
经过扩展置换，32位的输入得到了48位的输出。
图 1-4 E盒置换表图
（2）选择压缩运算（S盒）
S盒的作用是进行非线性代换。S盒是DES中唯一的非线性部分，DES的安全强度主要取决于S盒的安全程度。S盒运算其实是一个查表运算。如图1-5为8个S盒。在E盒的扩展之后得到了48位的数据，将其和48位的子密钥进行异或运算，这是密钥参与运算的步骤。将其分成8个组，每组6个，送到8个S盒中去。每一个S盒都是一个6位输入4位输出的结构，也就是说，48位输入到8个S盒会得到4*8=32位的输出。6位输入到8位输出的映射关系如下表3所示，其中，第一位和最后一位作为行号，第二位到第五位作为列号。例如，101100，则行号为10=2，列好为0110=6.查得（2，6）=2，化成二进制位0010.注意，8个S盒的映射关系各不相同。
图 1-5 S盒图
（3）置换P
P盒的作用只是进行简单的位置置换，只是简单地把一位换成另一位，不进行扩展和压缩。经过P盒操作，32位的输入得到32位的输出。
如图1-6为P盒置换表。
图 1-6 P盒置换表图
（4）异或操作
轮函数F剩下的步骤通过轮函数的组成图就可以清晰看出，这里不再详细介绍。主要就是进行异或操作。就这样对经过E盒扩展的64位数据进行16轮的变换。
3、逆初始置换
如果进行初始置换，则必须进行逆初始置换。逆初始置换的实现和初始置换一样，只是置换表不同而已。
如图1-7为逆初始置换表。
图 1-7 逆初始置换表图
4、DES子密钥生成方法
如图1-8所示为子密钥产生过程。
DES的初始64位密钥通过如图1-9所示的置换选择PC-1得到有效的56位密钥。这56位分为2个28位数据C0和D0 。每轮迭代中Ci-1和Di-1分别循环左移1位或2位，移位后的值作为下一轮的输入，同时也作为置换选择PC-2的输入，通过如图1-10所示的置换选择PC-2产生一个48位的输出，即为一个子密钥。 64位密钥生成了16个48位的子密钥。
图 1-8 子密钥产生过程图
图 1-9 PC-1图
图 1-10 PC-2图
1.3.2 DES的解密过程
由于DES是对合运算，所以解密和加密共用一个运算，只是子密钥使用的顺序不同。把64位密文当做明文输入，而且第一次解密迭代使用子密钥K16，第二次解密迭代使用子密钥K15,……，第十六次解密迭代使用子密钥K1，最后输出的便是64位明文。
数学公式描述如下：
Ri-1=Li
Li-1=Ri⊕f(Li,Ki)
i=16,15,14,……，1
1.4实验内容
1.4.1加密函数
//实现加密
int DES_EncryptBlock(ElemType plainBlock[8],ElemType subKeys[16][48],Elem-Type cipherBlock[8])
{
ElemType plainBits[64];
ElemType copyRight[48];
int cnt;
Char8ToBit64(plainBlock,plainBits);
//初始置换(IP置换)
DES_IP_Transform(plainBits);
//16轮迭代
for(cnt=0;cnt<16;cnt++)
{
memcpy(copyRight,plainBits+32,32)
//将右半部分进行扩展置换，从32位扩展到48位
DES_E_Transform(copyRight);
//将右半部分与子密钥进行异或操作
DES_XOR(copyRight,subKeys[cnt],48);
//异或结果进入S盒，输出32位结果
DES_SBOX(copyRight);
//P置换
DES_P_Transform(copyRight);
//将明文左半部分与右半部分异或
DES_XOR(plainBits,copyRight,32);
if(cnt!=15)
{
//最终完成左右部的交换
DES_Swap(plainBits,plainBits+32);
}
}
//逆初始置换(IP^-1置换)
DES_IP_1_Transform(plainBits);
Bit64ToChar8(plainBits,cipherBlock);
return 0;
}
1.4.2IP置换函数
//IP置换
int DES_IP_Transform(ElemType data[64])
{
int cnt;
ElemType temp[64];
for(cnt=0;cnt<64;cnt++)
{
temp[cnt]=data[IP_Table[cnt]];
}
memcpy(data,temp,64);
return 0;
}
1.4.3S盒变换
//S盒变换
int DES_SBOX(ElemType data[48])
{
int cnt;
int line,row,output;
int cur1;cur2;
for(cnt=0;cnt<8;cnt++)
{
cur1=cnt*6;
cur2=cnt<<2;
//计算在S盒中的行与列
line=(data[cur1]<<1)+data[cur1+5];
row=(data[cur1+1]<<3)+(data[cur1+2]<<2)+(data[cur1+3]<<1)+data[cur1+4];
output=S[cnt][line][row];
//化为二进制
data[cur2]=(output&0X08)>>3;
data[cur2+1]=(output&0X04)>>2;
data[cur2+2]=(output&0X04)>>1;
data[cur2+3]=output&0x01;
}
return 0;
}
1.4.4生成子密钥
//生成16个48比特的子密钥
int DES_MakeSubKeys(ElemType key[64],ElemType subKeys[16][48])
{
ElemType temp[56];
int cnt;
DES_PC1_Transform(key,temp);//PC1置换
for(cnt=0;cnt<16;cnt++)//16轮迭代，每轮产生1个子密钥
{
DES_ROL(temp,ROL_TIMES[cnt]);//循环左移
DES_PC2_Transform(temp,subKeys[cnt]);//PC2置换，产生子密钥
}
return 0;
}
1.4.5解密函数
//解密单个分组
int DES_DecryptBlock(ElemType cipherBlock[8],ElemType subKeys[16][48],Elem-Type plainBlock[8])
{
ElemType cipherBits[64];
ElemType copyRight[48];
int cnt;
Char8ToBit64(cipherBlock,cipherBits);
//初始置换（IP置换）
DES_IP_Transform(cipherBits);
//16轮迭代
for(cnt=15;cnt>=0;cnt--)
{
memcpy(copyRight,cipherBits+32,32);
//将右半部分与子密钥进行扩展置换，从32位扩展到48位
DES_E_Transform(copyRight);
//将右半部分与子密钥进行异或操作
DES_XOR(copyRight,subKeys[cnt],48);
//异或结果进入S盒，输出32位结果
DES_SBOX(copyRight);
//P置换
DES_P_Transform(copyRight);
//将明文左半部分与右半部分进行异或
DES_XOR(cipherBits,copyRight,32);
if(cnt!=0)
{
//最终完成左右部的交换
DES_Swap(cipherBits,copyRight,32);
}
}
//逆初始置换（IP^-1置换）
DES_IP_1_Transform(cipherBits);
DES_Bit64ToChar8(cipherBits,plainBlock);
return 0;
}
1.5实验结果
运行结果如图1-11、1-12、1-13、1-14所示。
图 1-11 结果运行图
图 1-12 加密文件1图
图 1-13 加密文件2图
图 1-14 解密文件3图
1.6实验心得
本次实验主要考察对DES的理解程度和编程熟练度。经过这次实验，我们对DES加解密过程已经十分熟悉，并且能够自己写出程序。我们实验过程中主要遇到下列几个问题：
- 编程方面：数组下标。
很多置换表中存储的都是下标，且是不为零的下标。
仔细看清楚是否为下标，下标是否要“-1”。
- 对DES的理解方面：
- S盒6-4变换的下标选择。
首先是i、j不要搞混，其次是b1b2b3b4b5b6的排列和我们惯用的b5b4b3b2b1b0形式顺序相反，切切要注意。
- 各种明文、密文、密钥长度的变化。
这一点其实不难，主要是细心。留意数组越界的问题。