DES实验报告

时间：2024.4.20

DES加解密算法实现

一、实验目的

在这一实验中，用VC++实现DES加解密算法。完成实验后，将能够深入理解DES加解密算法及其在VC++中的实现过程。

二、实验条件

熟悉VC++开发环境和有关DES算法知识，安装了VC++6.0系统的计算机。

三、任务描述

对数据进行加密传输能有效地保证数据的机密性，DES算法是一个保护数据的机密性的经典算法，本实验在VC++环境中实现DES算法。在VC++中建立一个项目，并将资料盘中的DES程序代码添入项目中，实现加/解密功能。

四、操作步骤

1．进入Microsoft Vilual C++ 6.0系统界面，选择菜单中的File--New,出现New对话框。

2．在对话框中，选择Projects页，在左侧的列表中选择MFC AppWizard[exe],在Project name文本框中输入新建项目的名称，如DES加解密算法，在Location文本框中选择项目存储路径。单击OK按钮出现MFC AppWizard-step1对话框。

3．在对话框中，选择Dialog based,单击Next按钮。

4．之后出现的对话框MFC AppWizard-step 2 of 4、 MFC AppWizard-step 3 of 4中均单击Next按钮。MFC AppWizard-step 4 of 4中单击Finish，出现New Project Information对话框。单击OK按钮，一个新项目就建成了。

5. 在对话框上添加控件资源，如图1所示。

6．在VC++菜单中选择View中ClassWizard命令，为控件资源定义变量，出现对话框。可以看到类的所有可被定义变量的控件资源，为每个资源分别定义变量。如：在列表中选择IDC_EDIT1，然后单击Add Variable按钮，在其后出现的对话框中输入变量名即可。

图1 DES加密解密对话框

7.添加其他变量，右击CDESDlg在弹出的菜单中选择Add Member Variable…命令，在新出现的对话框中，输入变量类型、变量名，选择变量的访问类型。

8.添加方法。双击按扭控件，可为其添加方法。

9.将方法中程序代码补充完整。

将# include“math.h”添加到DES加解密算法Dlg.cpp的头部。

10.项目完成，编译运行。点击“保存”按钮，将实验结果保存在指定文件如“试验数据.txt”中。

五、实验原理

1．DES算法描述

DES是一个16轮的Feistel型结构密码，它的分组长度为64bit，用一个56bit的密钥来加密一个64bit的明文串，输出一个64bit的密文串。其中，使用密钥为64bit，实用56bit，另8位用作奇偶校验。加密的过程是先对64位明文分组进行初始置换，然后分左、右两部分分别经过16轮迭代，然后再进行循环移位与变换，最后进行逆变换得出密文。加密与解密使用相同的密钥，因而它属于对称密码体制。

图2给出了DES过程框图。假设输入的明文数据是64比特。首先经过初

始置换后把其左半部分32比特记为L₀, 右半部分32比特记为R₀,即成了置换后的输入。然后把R₀与密钥产生器产生的子密钥K₁进行计算，其结果记为f(R₀, K₁)

图2 DES加密算法

再与L₀进行模2加得到L₀异或f(R₀, K₁),把R₀记为K₁放在左边，而把L₀异或f(R₀, K₁)放在右边,从而完成了第一轮的迭代运算。在此基础上重复上述的迭代过程，一直迭代至第16轮。所得的第16轮迭代结果成为预输出，最后经过初始置换的逆置换运算后得到密文。下面会详述DES加密过程中的基本运算。

2．DES中的初始置换IP与逆置换IP_1

对于要加密的明文串64比特，初始置换把原来输入的第58位置换成第1位，原输入的第50位换为第2位,…, 把原输入的第7位置换成第64位，即最后一位。同样的逆初始置换是以预输出作为它的输入，该置换的输出以预输出块的第40位作为它的第1位,…,而以25位作为它的最后一位。

IP[65]={58,50,42,34,26,18,10,2, IP_1[65]= {40,8,48,16,56,24,64,32,

60,52,44,36,28,20,12,4, 39,7,47,15,55,23,63,31,

62,54,46,38,30,22,14,6, 38,6,46,14,54,22,62,30,

64,56,48,40,32,24,16,8, 37,5,45,13,53,21,61,29,

57,49,41,33,25,17,9,1, 36,4,44,12,52,20,60,28,

59,51,43,35,27,19,11,3, 35,3,43,11,51,19,59,27,

61,53,45,37,29,21,13,5, 34,2,42,10,50,18,58,26,

63,55,47,39,31,23,15,7}; 33,1,41,9,49,17,57,25};

3．密码函数f

函数f的输入是一个32比特串（当前状态的右半部）和子密钥。密钥编排方案(k_1,k_2,…_,k₃₂)由16个48比特的子密钥组成，这些子密钥由56比特的种子密钥k导出。每个k_i都是由置换选择而来，子密钥的产生过程后面详述。图3给出了函数的示意图。它主要包含了一个应用S盒的替代以及其后跟随的一个固定置换P。密码函数f是整个加密的关键部分，它包含了如下四个功能：扩展函数E、S盒运算、模2加法、置换函数。

(1)扩展函数E

扩展函数E的功能就是将一个32位的输入块扩展为48位的输出块，而这48位的输入块再分成8个6位的块。它是按数组E所示数据选择它所输入中的位而取得的，E(R)的前3位是R的32，1，2位置上的值，而E(R)的最后两位是R的32，1上的值。

E[49]={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, 28,29,30,31,32,31};

(2) S盒运算

在密码函数f(R,k)中有8个S盒,称为8个不同的选择函数，分别用(S₁,S₂,…S₈)表示，参见下面所示参数设定。每个S盒都是将6位作为输入，得到一个4位块作为输出。S[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}};

(3)模2加法

模2加功能就是将R的各位与密钥k的各位逐位做模2加，以得到输出b_i,以S₁为例，若B是6位的一个块，则S₁(B)计算如下：B的第一和最后一位表示从0到3之间的二进制数，令该数为i;而B的中间4位表示从0到15之间的二进制数，令该数为j;在该表S₁中查第i行第j列的数，它是从0到15之间的一个数，且唯一地由4位块代表，则该块就是输入B的S₁的输出S₁(B)。例如对于输入为101000而言，行就是10，即第2行；而列是由0100确定，即第5列，S₁盒的第二行与底列的交叉处即为B，因而输出为1101，因此1101就是S盒S₁在输入为101000时的输出。

在f(R, K)的计算中，它将由模2加运算得到的b₁,b₂,…,b₄₈按每6个一组共分成8组，顺序记为B₁,B₂,…,B₈,它们分别经过8个选择函数s_i运算变成C₁,C₂,…,C₃₂,即S₁(B₁) S₂(B₂)…S₈(B₈)=C₁,C₂,…,C₃₂。

(4)置换函数

置换函数是通过置换输入块的位，从32位输入中得到32位的输出。置换函数由下所示。由该表确定的函数P的输出P(C),是通过置换C的第16位为P(C)的第1位，取第7位为P(C)的第2位，…，取第25位为P(C)的第32位。

P[33]={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};

令S₁，S₂，…，S₈为8个不同的选择函数，P为置换函数，E为扩展函数，为了计算f(R, K)，先规定B₁,B₂,…,B₈每个为6位块，且B₁,B₂,…,B₈=k_i与E(R_i-1)异或，于是有f(R, K)=P[S₁(B₁) S₂(B₂)…S₈(B₈)]；因此在f(R, K)的计算中将k异或E（R）分8个块，即每位6块（B_i），然后每个B_i取作S_i的一个输入就得到每个都为4位的8个块S_i(B_i)(i=1,2,…,8)的输出，再将此8块连接成32位的整块。这个整块就构成了P的输入，经P置换，即为f(R, K)的输出。

4．子密钥的生成过程

在DES中，每一轮迭代都使用了一个轮密钥。轮密钥是从用户输入的密钥k(64位)产生的。实用密钥56位，另8位是奇偶校验位；输出密钥的第8，16，…，64位为奇偶校验位（每一字节的最后一位），这些位的值使得每个字节恰好包含了奇数个1，这样如果输入密钥中某个字节中存在一个错误，奇偶校验可以帮助查到这些错误。图4给出了子密钥的生成示意图。

图4 DES子密钥生成过程

具体的子密钥生成过程描述如下：

（1）输入的密钥先经过一个置换选择1进行重排。56位的置换结果被当成两个28位比特的量C₀与D₀,其中C₀是置换结果的前28位，D₀是置换结果的后28位；置换选择1如下所示，在置换选择1中不出现第8，16，24，32，40，48，6，4位，因此实际64位的密钥在经过置换选择1后，奇偶校验位被删除掉而仅保留下有效的56位密钥。置换选择1与初始置换IP的含义类似。例如，置换结果C₀的第7位是输入密钥的第9位，而置换结果C₀的第10位是输入密钥的第54位。

（2）在计算第i轮迭代所需要的子密钥时，首先对C_i-1与D_i-1进行循环左移，分别得到C_i与D_i。循环的次数取决于i的值，若i=1,2,9,16,循环的次数是1,否则循环左移的次数为2,这些经过移位的值将作为下一个循环的输入。然后，以C_iD_i作为另外一个又DES算法固定的置换选择2的输入，所得到的置换结果即为第i轮迭代所需要的子密钥k_i。

PC_1[57]={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};

PC_2[49]={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};

5．DES的解密过程

DES的解密过程与加密过程共用了同样地计算过程。两者的不同之处仅在于解密时子密钥的使用顺序与加密时相反。设加密时的子密钥为k_1,k_2,…_,k₁₆，那么，解密时子密钥的使用顺序为k_16,k_15,…_,k₁，即：用DES解密时，将以64位密文作为输入，第一轮迭代使用子密钥k₁₆，第二轮迭代使用子密钥k₁₅，第16轮迭代使用子密钥k₁，其他运算与加密时一样，最后输出的便是64位明文。

第二篇：用C实现DES的加密实验报告

一、实验目的

1、对算法描述可进行充分理解，精确理解算法的各个步骤。

2、完成DES软件算法的详细设计。

3、用C++完成算法的设计模块。

4、编制测试代码。

二、实验内容

根据DES加密标准，用C++设计编写符合DES算法思想的加密程序，并进行测试、分析，并尽量考虑程序的优化。

三、方案设计

DES的总体方案如下图所示。与其他任何一种加密方案一样，加密函数有两个输入：待

加密的明文和密钥。在这里，明文的长度必须为64bit，而密钥的长度为56bit.

DES加密算法的一般描述

观察上图的左边部分，可以看到明文的处理阶段经过了三个阶段。首先64BItde明文经过了一个初始置换IP后，比特重排产生了经过置换的输入。接下来的一个阶段是由对同一个函数进行16次循环组成的，这个函数本身既包含有置换又包含有替代函数。最后一个循环（第16个）的输出由64Bit组成，它是输入明文和密钥的函数，这个输出的左边和右边两个部分经过交换后就得到预输出。最后，预输出通过一个逆初始置换就生成了64bit的密文，这个置换是初始置换的逆置换。

上图的右半部分给出了54Bit密钥的使用方式，密钥首先通过一个置换函数，接着对于16个循环的每一个，都通过一个循环左移操作和一个置换草所的组合产生出一个密钥K1。对每一个循环来说，置换函数是相同的，但由于密钥比特的重复移位，产生的子密钥并不相同。

（a）初始置换

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 36 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

（b）逆初始置换

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

（c）DES的S盒子的定义：

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

2 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 1 16 3 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 5 0 8 13

S₇

4 11 2 14 15 0 8 13 3 12 9 7 5 10 6 1

13 0 1 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

密钥的产生：

（a）舍弃64位密钥中的奇偶校验位，根据下表（PC-1）进行密钥变换得到56位的密钥，在变换中，奇偶校验位以被舍弃。

置换选择 1(PC-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

（b）置换选择2 (PC-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

（c）左移调度

I： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

左移位数： 1 1 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 1

四、详细设计

算法1

DES_ENC(X64)

Exterual IP, inIP, EXP, POS, SBOX1,……SBOX8

Global K48[1-16]

State64<-IP(x64)

For i<- 1 to 16

Do {令 state64=SL32||SR32

temp48<-EXT(SL32)

temp48<= temp48+K48[i]

令temp48=t6[1]||t6[2]||t6[3]||t6[4]||t6[5]||t6[6]||t6[7]||t6[8]

t4[1]<-SBOX[1] (t6[1])

t4[2]<-SBOX[2] (t6[2])

t4[3]<-SBOX[3] (t6[3])

t4[4]<-SBOX[4] (t6[4])

t4[5]<-SBOX[5] (t6[5])

t4[6]<-SBOX[6] (t6[6])

t4[7]<-SBOX[7] (t6[7])

t4[8]<-SBOX[8] (t6[8])

temp32=t4[1]||t4[2]||t4[3]||t4[4]||t4[5]||t4[6]||t4[7]||t4[8]

temp32<=POS(temp32)

SR32<- temp32(异或)SL32

SL32<-SR32

}

令State64=SL32||SL32

State64<-SR32||SL32

State64<-invIP(State64)

Return State64

算法2 初始置换（IP）

IP(X64)

ConstArray[1-64],<-{58,50,42,34,26,18,10,2,60,52,44,36,28,20,23,4,62,54,46,38,30,22,14,6,64,56,48,40,32,24,26,8,57,49,41,33,25,17,9,1,59,51,43,35,27,19,11,3,61,53,45,37,29,21,13,5,63,55,47,39,31,23,15,7}

令X64=x1[1]||x1[2]||……||x1[64]

Y64=y1[1]||y1[2]||……||y1[64]

For i<- to 64

do {y1[i] x1[ConstArrayi]

}

Return y64

算法3 逆初始置换

InvIP(m64)

ConstArray[1-64],<-{40,8,48,16,56,24,64,32,39,7,47,15,55,23,63,31,3

,6,46,14,54,22,62,30,37,5,45,13,53,21,61,29,36,4,44,12,52,20,60,38,35,3,43,11,51,19,59,27,34,2,42,10,50,18,58,26,33,1,41,9,49,17,57,25}

令X64=m1[1]||m1[2]||……||m1[64]

Y64=n1[1]||n1[2]||……||n1[64]

For g<-1 to 64

Do {y1[i] = x1[ConstArray1}

Return y64

算法4 扩展置换

EXE(X32)

ConsArray[1-48],<-{32,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18, 19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,1}

令X32=x1[1]||x1[2]||……||x1[32]

Y64=y1[1]||y1[2]||……||y1[64]

For j<-1 to 48

Do {y1[i] = x1[ConstArray1}

Return y48

算法5 置换函数（P）

ConstArray[1-32],<-{16,7,20,2,21,29,12,28,17,1,15,23,26,5,18,31,10,2,8,24,32,27,3,9,19,13,30,6,22,11,4,25}

令m32=m1[1]||m1[2]||……||m1[32]

Y64=n1[1]||n1[2]||……||n1[32]

For i<-1 to 32

Do {y1[i] = x1[ConstArray1}

Return n32

算法6 关于S盒算法

S盒1

SBOX1(M6)

ConstArray[0-3],[0-15]<-{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}

令m6=m1[1]||m1[2]||……||m1[6]