DES实验报告

一、实验题目

DES加密算法

二、实验目的和要求

通过实验，掌握DES密码的程序实现，熟悉比特串的操作，矩阵变换，提高C++程序设计能力。

编写 DES 密码的加密解密程序，运行并验证。 (1) 输入 64 比特明文和密文，利用 DES 密码对其加密并输出密文。 (2) 输入 DES 加密的 64 比特密文和密钥，对其进行解密。 (3) 记录调试和验证过程，完成实验报告。

三、实验环境

clion

四、实验内容

DES 算法包括： (1)：一个初始置换 IP：重排明文分组的 64 比特数据 (2)：相同功能的 16 轮变换：每轮中都有置换和代换运算，第 16 轮变换的输出分为左右两半，并被交换次序 (3)：经过一个逆初始置换 IP-1(为 IP 的逆)。最后产生 64 比特的密文。

给定的 DES 结构如图：

每轮的结构如图：

32 比特扩展 48 位，轮密钥异或， S 盒代换（1，6 位合并选行，2-5 位合并选列），置换 P

轮密钥生成：

输入算法的 56 比特有效密钥: 1.首先经过一个置换运算（实际初始密钥共 64 位，去除 8 个校验位并且改变顺序）， 2.然后将置换后的 56 比特分为各为 28 比特的𝐶𝐶0和𝐷𝐷0两半。第𝑖𝑖轮𝐶𝐶𝑖𝑖−1和𝐷𝐷𝑖𝑖−1，分别左循环移位。得到𝐶𝐶𝑖𝑖和和𝐷𝐷𝑖𝑖−1 做为求下一轮子密钥的输入，同时也输入置换选择 2。 3.置换选择 2 产生的 48 比特的，即为本轮的子密钥，输入函数。

验证操作 ：

选择进行文件加密，输入长度为 8 个字符的加解密的密钥，读入明文文件 1.txt，加密文件存储在 2.txt 文件中；
选择进行文件解密，输入长度为 8 个字符的加解密的密钥，读入密文文件 2.txt，解密文件存储在 3.txt 文件中。

五、算法描述及实验步骤

准备部分的矩阵：初始置换IP，逆初始置换IP，E表，置换函数P。

F中的代换由8个S盒组成。64比特密钥进行第一轮置换选择，变为56比特的有效密钥。分成两组后，左移位，再进入置换选择2.

将字符转为二进制的形式，与密钥参与异或运算

DES明文处理的过程有三个阶段：

1.初始置换IP：重排明文分组的64比特数据

2.16轮变换：每轮中包含置换、代换。变换的输出被分为左右两组，被交换次序

3.逆初始置换IP，产生密文

DES密钥生成：

1.56比特密钥经过置换

2.将置换后的56比特，分为两组，Ci、Di。

3.第i轮Ci-1、Di-1分别左移位。得到的Ci、Di作为下一轮求子密钥的输入，同时输入置换选择2

4.置换选择2生成48比特子密钥Ki，输入到F函数

轮结构：

$$L_i=R_{i-1}$$

$$R_i=L_{i-1}\oplus F(R_{i-1},K_i)$$

F的处理过程：

$$(R_{i-1}扩展/置换（E表）\oplus K_i)\ 进入S盒，变为32比特。置换（P），$$

六、调试过程及结果（附截图）

七、总结体会

❓任选两个模块描述执行过程

‼️明文的处理：

将字符转换为二进制，后面方便与密钥进行异或运算

int ISD_DES_ByteToBit(ElemType ch, ElemType bit[8]){
    int cnt;
    for(cnt = 0;cnt < 8; cnt++){
        *(bit+cnt) = (ch>>cnt)&1;
    }
    return 0;
}

一字节长度为8比特：将其转换为二进制串

int ISD_DES_Char8ToBit64(ElemType ch[8],ElemType bit[64]){
    int cnt;
    for(cnt = 0; cnt < 8; cnt++){
        ISD_DES_ByteToBit(*(ch+cnt),bit+(cnt<<3));
    }
    return 0;

‼️明文的加密：

1.初始置换IP：重排明文分组的64比特数据

2.16轮变换：每轮中包含置换、代换。变换的输出被分为左右两组，被交换次序

3.逆初始置换IP，产生密文

int ISD_DES_EncryptBlock(ElemType plainBlock[8], ElemType subKeys[16][48], ElemType cipherBlock[8]){
    ElemType plainBits[64];
    ElemType copyRight[48];
    int cnt;

    ISD_DES_Char8ToBit64(plainBlock,plainBits);
    //初始置换（IP置换）
    ISD_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
        ISD_DES_E_Transform(copyRight);
        //将右半部分与子密钥进行异或操作
        ISD_DES_XOR(copyRight,subKeys[cnt],48);
        //异或结果进入S盒，输出32位结果
        ISD_DES_SBOX(copyRight);
        //P置换
        ISD_DES_P_Transform(copyRight);
        //将明文左半部分与右半部分进行异或
        ISD_DES_XOR(plainBits,copyRight,32);
        if(cnt != 15){
            //最终完成左右部的交换
            ISD_DES_Swap(plainBits,plainBits+32);
        }
    }
    //逆初始置换（IP^1置换）
    ISD_DES_IP_1_Transform(plainBits);
    ISD_DES_Bit64ToChar8(plainBits,cipherBlock);
    return 0;
}