DES加密解密算法的C实现实验报告.doc
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1、 分组密码实验报告一、 DES算法的实现1 DES简介本世纪五十年代以来,密码学研究领域出现了最具代表性的两大成就。其中之一就是1971年美国学者塔奇曼(Tuchman)和麦耶(Meyer)根据信息论创始人香农(Shannon)提出的“多重加密有效性理论”创立的,后于1977年由美国国家标准局颁布的数据加密标准。 DES密码实际上是Lucifer密码的进一步发展。它是一种采用传统加密方法的区组密码。它的算法是对称的,既可用于加密又可用于解密。 美国国家标准局1973年开始研究除国防部外的其它部门的计算机系统的数据加密标准,于1973年5月15日和1974年8月27日先后两次向公众发出了征求加密
2、算法的公告。加密算法要达到的目的通常称为DES密码算法要求主要为以下四点: 提供高质量的数据保护,防止数据未经授权的泄露和未被察觉的修改;具有相当高的复杂性,使得破译的开销超过可能获得的利益,同时又要便于理解和掌握DES密码体制的安全性应该不依赖于算法的保密,其安全性仅以加密密钥的保密为基础实现经济,运行有效,并且适用于多种完全不同的应用。 1977年1月,美国政府颁布:采纳IBM公司设计的方案作为非机密数据的正式数据加密标准(DES枣Data Encryption Standard)。 目前在这里,随着三金工程尤其是金卡工程的启动,DES算法在POS、ATM、磁卡及智能卡(IC卡)、加油站、
3、高速公路收费站等领域被广泛应用,以此来实现关键数据的保密,如信用卡持卡人的PIN的加密传输,IC卡与POS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
4、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。 通过定期在通信网络的源端和目的端同时改用新的Key,便能更进一步提高数据的保密性,这正是现在金融交易网络的流行做法。2. DES算法详述(1)DES加密标准现如今,依靠Internet的分布式计算能力,用穷举密钥搜索攻击方法破译已成为可能。数据加密标准D
5、ES已经达到它的信任终点。但是作为一种Feistel加密算法的例子仍然有讨论的价值。DES是对二元数字分组加密的分组密码算法,分组长度为64比特。每64位明文加密成64位密文,没有数据压缩和扩展,密钥长度为56比特,若输入64比特,则第8,16,24,32,40,48,56,64为奇偶校验位,所以,实际密钥只有56位。DES算法完全公开,其保密性完全依赖密钥。它的缺点就在于密钥太短。设明文串m=m1m2m64;密钥串k=k1k2k64。在后面的介绍中可以看到k8,k16,k24,k32,k40,k48,k56,k64实际上是不起作用的。DES的加密过程可表示为:DES(m)= IP-1T16T
6、15T2T1IP(m).下面是完全16轮DES算法框图:图1 完全16轮DES算法1 初始置换IP初始置换是将输入的64位明文分为8个数组,每一组包括8位,按1至64编号。IP的置换规则如下表:表1 IP置换规则58504234261810 260524436282012 462544638302214 664564840322416 8574941332517 9 159514335271911 361534537292113 563554739312315 7即将输入的第58位换到第1位,第50位换到第2位,依次类推,最后一位是原来的第7位。2 IP-1是IP的逆置换由于第1位经过初始置换
7、后,已处于第40位。逆置换就是再将第40位换回到第1位。逆置换规则如下表所示:表2 IP-1置换40848165624643239 747155523633138 646145422623037 545135321612936 444125220602835 343115119592734 242105018582633 141 949175725初始置换IP及其逆置换IP-1并没有密码学意义,因为置换前后的一一对应关系是已知的。它们的作用在于打乱原来输入明文的ASC码字划分的关系,并将原来明文的第m8,m16,m24,m32,m40,m48,m56,m64位(校验位)变成IP的输出的一个字节
8、。3. DES算法的迭代过程 图2 DES算法的迭代过程图图中Li-1和Ri-1分别是第i-1次迭代结果的左右两部分,各32比特。即Li=Ri-1, Ri=Li-1 f(Ri-1,ki)。其中轮密钥Ki为48比特,函数F(R,K)的计算过程如图1.5所示。轮输入的右半部分R为32比特,R首先被扩展成48比特,扩展过程由表3定义,其中将R的16个比特各重复一次。扩展后的48比特再与子密钥Ki异或,然后再通过一个S盒,产生32比特的输出。该输出再经过一个由表4定义的置换,产生的结果即为函数F(R,K)的输出。表3 扩展E32 1 2 3 4 5 4 5 6 7 8 9 8 910111213121
9、3141516171617181920212021222324252425262728292829303132 1ki是由64比特的初始密钥(亦称种子密钥)导出的第i轮子密钥,ki是48比特DES算法的关键是f(Ri-1,ki)的功能,其中的重点又在S-盒(Substitution Boxes)上。F函数的输出是32比特。图3 F函数计算过程图将R经过一个扩展运算E变为48位,记为E(R)。计算E(R)K=B,对B施行代换S,此代换由8个代换盒组成,即S-盒。每个S-盒有6个输入,4个输出,将B依次分为8组,每组6位,记B= B1B2B3B4B5B6B7B8其中Bj作为第j个S-盒的输入,其输
10、出为Cj,C= C1C2C3C4C5C6C7C8就是代换S的输出,所以代换S是一个48位输入,32位输出的选择压缩运算,将结果C再实行一个置换P(表4),即得F(R,K)。其中,扩展运算E与置换P主要作用是增加算法的扩散效果。S-盒是DES算法中唯一的非线性部件,当然也就是整个算法的安全性所在。它的设计原则与过程一直因为种种不为人知的因素所限,而未被公布出来。S-盒如下表:表4 S-盒函数S114 413 1 21511 8 310 612 5 9 0 7 015 7 414 213 110 61211 9 5 3 8 4 114 813 6 2111512 9 7 310 5 01512 8
11、 2 4 9 1 7 511 31410 0 613S215 1 814 611 3 4 9 7 21312 0 510 313 4 715 2 81412 0 110 6 911 5 014 71110 413 1 5 812 6 9 3 21513 810 1 315 4 211 6 712 0 514 9S310 0 914 6 315 5 11312 711 4 2 813 7 0 9 3 4 610 2 8 514121115 113 6 4 9 815 3 011 1 212 51014 7 11013 0 6 9 8 7 41514 311 5 212S4 71314 3 0 6
12、 910 1 2 8 51112 41513 811 5 615 0 3 4 7 212 11014 910 6 9 01211 71315 1 314 5 2 8 4 315 0 610 113 8 9 4 51112 7 214S5 212 4 1 71011 6 8 5 31513 014 91411 212 4 713 1 5 01510 3 9 8 6 4 5 1111013 7 815 912 5 6 3 01411 812 7 114 213 615 0 910 4 5 3S612 11015 9 2 6 8 013 3 414 7 5111015 4 2 712 9 5 6 1
13、1314 011 3 8 91415 5 2 812 3 7 0 410 11311 6 4 3 212 9 515101114 1 7 6 0 813S7 411 21415 0 813 312 9 7 510 6 113 011 7 4 9 11014 3 512 215 8 6 1 4111312 3 7141015 6 8 0 5 9 2 61113 8 1 410 7 9 5 01514 2 312S813 2 8 4 61511 110 9 314 5 012 7 11513 810 3 7 412 5 611 014 9 2 711 4 1 91214 2 0 6101315 3
14、 5 8 2 114 7 410 8131512 9 0 3 5 611S-盒的置换规则为:取0,1,15上的4个置换,即它的4个排列排成4行,得一4*16矩阵。若给定该S盒的6个输入为b0 b1 b2 b3 b4 b5,在Si表中找出b0 b5行,b1b2b3b4列的元素,以4位二进制表示该元素,此为S-盒Si的输出。例1 S2的输入为101011, b1 =1,b6=1,b1 b6=(11)2=3 (b2 b3 b4 b5)2=(0101)2=5查S2表可知第3行第5列的输出是15,15的二进制表示为1111。则S2的输出为1111。8个S-盒的代换方式都是一样的。S盒输出的32比特经P置
15、换,P置换的功能是将32位的输入,按以下顺序置换,然后输入仍为32比特。P置换的顺序如表5:表5 置换P16 7202129122817 1152326 5183110 2 824143227 3 9191330 62211 4254 子密钥的生成初始密钥K(64bit)PC-1D0(28bit)C0(28bit)LS1LS1K1PC-2D1C1LS2LS2LS16LS16K16PC-2D16C16图4 DES子密钥生成流程图图4给出了子密钥产生的流程图。首先对初始密钥经过置换PC-1(表2.67),将初始密钥的8个奇偶校验位剔除掉,而留下真正的56比特初始密钥。表3.6 密钥置换PC-157
16、4941332517 9 158504234261810 259514335271911 36052443663554739312315 762544638302214 661534537292113 5282012 4然后将此56位分为C0,D0两部分,各28比特,C0,D0如下:C0=k57k49k44k36D0=k63k55k12k4然后分别进行一个循环左移函数LS1,得到C1,D1,将C1(28位),D1(28位)连成56比特数据,再经过密钥置换PC-2(表7)做重排动作,从而便得到了密钥K1(48位)。依次类推,便可得到K2,K3K16。表7 密钥置换PC-214171124 1 5
17、 32815 62110231912 426 816 7272013 2415231374755304051453348444939563453464250362932其中LS1(1i16)表示一个或两个位置的循环左移,当i=1,2,9,16时,移一个位置,当i=3,4,5,6,7,8,10,11,12,13,14,15时,移两个位置。(2)DES算法的解密过程DES算法的解密过程跟加密过程是一样的,区别仅仅在于第一次迭代时用密钥k16,第二次k15、,最后一次用k1,算法本身没有任何变化。二、 DES算法用C+语言实现 1.设置密钥函数des_setkey() 此函数的功能是由64比特的密钥
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