畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）--64位DES加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).doc

論文題目：64位DES加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要 數(shù)據(jù)加密技術(shù)主要通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行數(shù)據(jù)加密來(lái)保障其安全性,是一種主動(dòng)安全的防御策略。信息技術(shù)改變著人們的生活和工作方式，與此同時(shí)，信息安全也已成為世人關(guān)注的社會(huì)問題。密碼技術(shù)是信息安全的關(guān)鍵技術(shù),密碼算法的快速實(shí)現(xiàn)日益重要,本文簡(jiǎn)要介紹了DES 算法的基本原理及具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程,并分析了該算法的安全性,并著重對(duì)DES 算法的加密過(guò)程及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了探討。通過(guò)對(duì)分組密碼DES 算法IP 變換、IP 逆變換、S- 盒換位表的分析, 找出了他們的換位規(guī)則, 根據(jù)這種規(guī)則提出了對(duì)DES 算法軟件實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)方法。并結(jié)合C 編程環(huán)境,介紹了DES 加密程序?qū)崿F(xiàn)的具體方法。關(guān)鍵詞 DES加密; C編程程序?qū)崿F(xiàn)；算法Abstract The encryption of the data safeguards its security mainly by encrypting the data transmitted by the netwoyrk.This active defensive device can voluntarily offer considerable safety protection for information with only a little cost . Information technology changes our life and work style. At the same time, Information security has become one of our important social problems. Cryptotechnique is the key technique of information security , a quick implementation of cryptographic algorithm has become more and more important.This paper introduces the basic elements of DES arithmetic and the realizing process of DES algorithm, analyze the security of DES arithmetic It focuses on the discussion of the encryption process and the pluses and minuses of DES algorithm.。Through the analysis of DES algorithm, IP commutation, IP- 1 commutation, S- box, find out their replacement rule and put forward the improvement methods of DES algorithm s software realization according to this kind of rule. The concrete method of programming to achieve DES encryption technique by C language were discussed.Key words DES encryption；C programming achievement of programme; 目次一、引言-二、DES加密算法-（一）、DES加密算法的基本概念-（二）、DES加密算法基本思想-（三）、DES加密算法內(nèi)在特性-（四）、DES 加密算法的優(yōu)點(diǎn)-（五）、DES加密算法加密目的-三、DES加密算法流程分析-（一）、DES加密算法加密過(guò)程-1、 子密鑰的產(chǎn)生-2、 換位操作初始置換-3、 乘積變換、擴(kuò)展置換-、S-盒置換-、P-盒置換-、乘積變換函數(shù)f-4、 換位操作末置換-5、 DES 加密流程圖-（二）、DES加密算法解密過(guò)程-1、 DES 加密算法的解密思路-2、 DES解密流程圖-四、DES 加密算法的討論-（一）、DES加密算法的工作方式- （二）、DES加密算法的安全性-（三）、DES 加密的實(shí)現(xiàn)版本優(yōu)化-五、DES 加密算法C環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)-六、結(jié)束語(yǔ)-一、引 言二十一世紀(jì)隨著網(wǎng)絡(luò)的普及和發(fā)展，在給人們提供大量方便的同時(shí)，信息注定成為一種重要的戰(zhàn)略資源。也必然對(duì)安全提出更高的要求.信息的安全保障能力成為一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要組成部分。 采用數(shù)據(jù)保密技術(shù)能保證網(wǎng)上傳輸信息的安全，以免數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中被盜用、暴露或篡改. 數(shù)據(jù)傳輸保密的數(shù)學(xué)模型主要包括數(shù)據(jù)的加密與解密，使用加密算法能做到數(shù)據(jù)加密，在各種信息安全技術(shù)措施中，硬件結(jié)構(gòu)的安全和操作系統(tǒng)的安全是基礎(chǔ)，密碼技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)安全與保密的核心和關(guān)鍵。DES 算法是目前使用最多的加密算法,也是最有代表性的分組加密算法,目前廣泛的應(yīng)用于保密通信之中。其問世20多年來(lái),成為密碼界研究的重點(diǎn),經(jīng)受住了許多科學(xué)家的研究和破譯,是一種世界公認(rèn)的較好的加密算法,在POS、ATM、磁卡及智能卡( IC 卡) 、加油站、高速公路收費(fèi)站等民用密碼領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。范圍包括:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中的數(shù)據(jù)保護(hù)、電子資金傳送系統(tǒng)中的信息加密、保護(hù)用戶文件、用戶識(shí)別等,為全球貿(mào)易、金融等非官方部門提供了可靠的通信安全保障。早在1977 年,人們估計(jì)建成一臺(tái)每秒鐘檢測(cè)一百萬(wàn)個(gè)密鑰的專用機(jī)用于DES 的解密要耗資兩千萬(wàn)美元,而且需要12 小時(shí)的破解才能得到結(jié)果,所以當(dāng)時(shí)DES 被認(rèn)為是一種十分強(qiáng)壯的加密方法。當(dāng)今的計(jì)算機(jī)速度越來(lái)越快,1997 年,人們估計(jì)制造一臺(tái)用于DES 解密的專用機(jī)的費(fèi)用降到十萬(wàn)美元左右,破解時(shí)間為6 小時(shí)。所以，當(dāng)今社會(huì)單純使用傳統(tǒng)的64位密鑰的DES算法進(jìn)行加密已經(jīng)不再安全。本文通過(guò)DES加密技術(shù)的基本原理及具體實(shí)現(xiàn)步驟,并分析了該算法的安全性,并著重對(duì)DES 算法的加密過(guò)程及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了探討。通過(guò)對(duì)分組密碼DES 算法IP 變換、IP 逆變換、S- 盒換位表的分析,對(duì)DES的安全質(zhì)疑給出了回答。二、DES加密算法（一）、DES加密算法基本概念數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(Data Encryption Standard，簡(jiǎn)稱DES)是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局于1977 年頒布的由IBM公司研制的一種非機(jī)密數(shù)據(jù)的正式數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。在正式接觸DES之前，首先讓我們了解一下加密技術(shù)中的一些專業(yè)術(shù)語(yǔ)：加密(Encipher) :通過(guò)密碼系統(tǒng)把明文變換為不可懂的形式的密文。加密算法( Encryption Algorithm) : 實(shí)施一系列變換,使信息變成密文的一組數(shù)學(xué)規(guī)則。解密(Decrypt) :使用適當(dāng)?shù)拿荑€,將已加密的文本轉(zhuǎn)換成明文。密文(Ciphertext) :經(jīng)加密處理而產(chǎn)生的數(shù)據(jù),其語(yǔ)義內(nèi)容是不可用的。明文(Cleartext) :可理解的數(shù)據(jù),其語(yǔ)義內(nèi)容是可用的。DES算法是對(duì)稱的，即是一種對(duì)稱密碼體制，它所使用的加密密鑰和解密密鑰是相同的,既可用于加密又可用于解密。DES 是一種采用傳統(tǒng)的替換和移位的方法加密的分組密碼, 即它將明文分成固定長(zhǎng)度（64 比特）的組(塊) ,用同一密鑰（64 比特實(shí)際長(zhǎng)度為56 比特因有8 比特用于奇偶校驗(yàn)）和乘法對(duì)每一塊加密,輸出也是固定長(zhǎng)度（64 比特）的密文。（二）、DES加密算法基本思想由于這種典型的按分組方式工作的密碼，其基本思想是將二進(jìn)制序列的明文分成每64比特一組用64比特的密鑰對(duì)其進(jìn)行16輪代換和換位加密，最后形成密文。（三）、DES 算法的內(nèi)在特性（1）密鑰有效長(zhǎng)度是56 位（第8，16，?，64 位為校驗(yàn)位），分組明文長(zhǎng)度為64 位，而且明文、密文與密鑰存在互補(bǔ)關(guān)系.（2）僅用16 次循環(huán)迭代，使得相同明文會(huì)產(chǎn)生相同密文.（3）存在著很好的并行結(jié)構(gòu)：產(chǎn)生內(nèi)部密鑰的左移次數(shù)存在著準(zhǔn)對(duì)稱性（即內(nèi)部密鑰生成過(guò)程存在并行性）. DES 屬于傳統(tǒng)的Feistel 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在DES 的基本單元中能夠?qū)嵤┎⑿胁僮?（4）DES 有16 輪加密，如果將第i 輪的P置換移至下一輪后會(huì)與下一輪的E 擴(kuò)展操作進(jìn)行合并，簡(jiǎn)化算法的基本操作.（5）可以通過(guò)S 盒與P 置換合并的方法節(jié)省P 置換的基本操作時(shí)間.（四）、DES 加密算法的優(yōu)點(diǎn):DES加密算法的優(yōu)點(diǎn)大致上有以下幾點(diǎn)：(1) DES 提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)保護(hù),防止數(shù)據(jù)未經(jīng)授權(quán)的泄露和未被察覺的修改; (2) 具有相當(dāng)高的復(fù)雜性,使得破譯的開銷超過(guò)可能獲得的利益,同時(shí)便于理解掌握; (3) DES密碼體制的安全性不依賴于算法的保密,其加密的安全性僅以加密密鑰的保密為基礎(chǔ)。（五）、DES加密算法加密目的DES加密算法要達(dá)到的目的（通常稱為DES 密碼算法要求）主要為以下五點(diǎn)：1.提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)保護(hù)，防止數(shù)據(jù)未經(jīng)授權(quán)的泄露和未被察覺的修改；2.具有相當(dāng)高的復(fù)雜性，使得破譯的開銷超過(guò)可能獲得的利益，同時(shí)又要便于理解和掌握；3.DES 密碼體制的安全性應(yīng)該不依賴于算法的保密，其安全性僅以加密密鑰的保密為基礎(chǔ)；4.實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)，運(yùn)行有效，并且適用于多種完全不同的應(yīng)用。5.DES的巧妙之處在于，除了密鑰輸入順序之外其加密和解密的步驟完全相同。三、DES加密算法流程分析（一）、DES加密算法加密過(guò)程數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程主要包括三部分：一個(gè)是密鑰產(chǎn)生部分；一個(gè)是換位操作，即初始置換部分和末置換部分；另一個(gè)是乘積交換部分。1、子密鑰的產(chǎn)生DES的乘積變換部分含16輪非線性變換，而每一輪非線性變換需要一個(gè)48比特的子密鑰。這16個(gè)子密鑰都是有一個(gè)64比特的外部密鑰（即DES的主密鑰）經(jīng)過(guò)移位和置換生成。64比特主密鑰是在實(shí)施加密之前由外部直接輸入給DES的16個(gè)子密鑰是由一個(gè)64比特的外部密鑰經(jīng)過(guò)移位和轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的。64比特主外部密鑰K被輸入后首先經(jīng)過(guò)奇偶校驗(yàn)，同時(shí)剔除K8、K16、K24、K32、K40、K48、K56、K64等奇偶校驗(yàn)位，得到56比特的密鑰K。再將K加到密碼置換，密碼置換是將K各個(gè)位上的數(shù)碼，按照特定的進(jìn)行換位，置換后的56 比特分別存放到兩個(gè)28比特的寄存器C0和D0中。57494133251791585042342618102595143352719113605244366355473931231576254463830221466153453729211352820124DES密鑰置換表密鑰置換有規(guī)律可循:將164間的數(shù)字依次從上到下從右向左填入表格（1），將表格（1）消去最后一行，再將其它部分分割成表格（2）和表格（3）。將表格（3）翻轉(zhuǎn)180即可。57494133251791585042342618102595143352719113605244362820124615345372921135625446383022146635547393123157645648403224168表格（1）5749413325179158504234261810259514335271911360524436 表格（2）2820124615345372921135625446383022146635547393123157表格（3）讀取的順序是從最上面一行開始，由左至右逐行讀取。前四行共28比特。分別置于寄存器C0第1位.第28位 ，后四行共28比特分別置于寄存器D0第1 位.第28位。其它16對(duì)寄存器，即（C1，D1）、（C2，D2）、（C3，D3）、（C4，D4）、（C5，D5）、（C6，D6）、（C7，D7）、（C8，D8）、（C9，D9）、（C10，D10）、（C11，D11）、（C12，D12）、（C13，D13）、（C14，D14）、（C15，D15）、（C16，D16）都有28比特。（Ci+1，Di+1）的內(nèi)容均是根據(jù)如圖每輪密鑰的移位表，將寄存器對(duì)）（Ci，Di）內(nèi)容循環(huán)左移1至2位到，循環(huán)左移即從寄存器左邊移出的比特，又補(bǔ)到寄存器的最右邊一位上。每輪子密鑰的移位比特?cái)?shù)寄存器序號(hào)12345678910111213141516左移位數(shù)1122222212222221外部密鑰K的各比特在寄存器Ci的位置Ci寄存器Ci中的各比特的序號(hào)Ci1234567891011121314057494133251791585042342618014941332517915850423426181012413325179158504234261810223251791585042342618102595134915850423426181025951433545585042342618102595143352719564234261810259514335271911367261810259514335271911360527810259514335271911360524436892595143352719113605244365791051433527191136052443657494110113527191136052443657494133251112191136052443657494133251791213360524436574941332517915813145244365749413325179158504214153657494133251791585042342615165749413325179158504234261816Ci寄存器Ci中的各比特的序號(hào)Ci151617181920212223242526272801025951433527191136052443601259514335271911360524436571259514335271911360524436574923433527191136052443657494133342719113605244365749413325174511360524436574941332517915660524436574941332517915850674436574941332517915850423478574941332517915850423426188949413325179158504234261810910332517915850423426181025910111791585042342618102595143111215850423426181025951433527121350423426181025951433527191113143426181025951433527191136014151810259514335271911360524415161025951433527191136052443616外部密鑰K的各比特在寄存器Di的位置Di寄存器Di中的各比特的序號(hào)Di123456789101112131406355473931231576254463830220155473931231576254463830221412473931231576254463830221462331231576254463830221466153341576254463830221466153453745625446383022146615345372921564638302214661534537292113567302214661534537292113528207814661534537292113528201248966153453729211352820124639105345372921135282012463554710113729211352820124635547393111122113528201246355473931231512135282012463554739312315762131420124635547393123157625446141546355473931231576254463830151663554739312315762544638302216Di寄存器Di中的各比特的序號(hào)Di123456789101112131406355473931231576254463830220155473931231576254463830221412473931231576254463830221462331231576254463830221466153341576254463830221466153453745625446383022146615345372921564638302214661534537292113567302214661534537292113528207814661534537292113528201248966153453729211352820124639105345372921135282012463554710113729211352820124635547393111122113528201246355473931231512135282012463554739312315762131420124635547393123157625446141546355473931231576254463830151663554739312315762544638302216將存儲(chǔ)到各寄存器對(duì)中的內(nèi)容都加到壓縮置換表中，壓縮置換是按照固定的格式從中選出48比特，其中壓縮置換表的數(shù)字表示寄存器對(duì)（Ci，Di）的比特序號(hào)，即將（Ci，Di）中的第14，17，11，位分別置換成Ki的第1，2，3，位。Ki表中的前四行的均小于28說(shuō)明Ki的前24位從寄存器Ci 的28 位置換得來(lái)，其中剔除第9，18，22，25四個(gè)比特。表中的前四行的均小于28說(shuō)明Ki的前24位從寄存器Di的28 位置換得來(lái)其中剔除第35，38，43，54四個(gè)比特。壓縮置換表141711241532815621102319124268167272013241523137475530405145334844493956345346425036293216對(duì)積存器經(jīng)過(guò)壓縮置換表的置換產(chǎn)生16個(gè)子密鑰K1、K2、K3、 K4、 K5、 K6 、K7、 K8 、K9 、K10、 K11、 K12、 K13、 K14 、K15、 K16 。經(jīng)過(guò)壓縮置換置換子密鑰Ki 與外部密鑰K的比特對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖：Ki子密鑰Ki中的各比特的序號(hào)（位）Ki123456789101112131415161718192021222324110 513460491733572919423352625445859136271841122432652419254959111346027181736505158571910332351271036255893343506018441121493435424135917343511594994258172734442576051503318192625524314519604333582642111185751414435341723109362750563442717421026506024135255719181515259584911346752571112659103444512519941325035364342336018783641605010435918573593582552513419492726174428957335242235511049271605017494326114119189365991041173626511935693311504434157271060253258494310112514910351194317603457185041115944952514233271112950335919523271441841234256043575836352617111213583417433365211505722551189442741414919101601314421812752493660344151935258571125263335950441415262501136334944182535581951424160910175243345715161859423572541361017275011433433521294435264916Ki子密鑰Ki中的各比特的序號(hào)（位）Ki25262728293031323334353637383940414243444546474812228395437447305532329612138631520451413625531121420314629633922284515215313305571237655447232361415301347236122962537281439546321532038317344555621428317536313462021126123384753742215544529394661121554374728304563457223120315566238561323304563623821311214552047295461545395346226728714294746225156361394311338536255202337306781254611331306206247452355152822374639472114538944653523226112543937154772014293831636213645910553037207645633823216231544611322154746285329101139142145453294722754615385545286623130123713111223615553837133165420306222392912534615146321281213745203922212815533841446623136337306261475121314542942365126237255613053728472114464531206314153813557532063462163945143754123156130291544715163054762451255381361313762946423285322217633916DES子密鑰產(chǎn)生過(guò)程流程圖如下：64比特外部密鑰K奇偶校驗(yàn)密鑰置換C0（28比特）左移C1（28比特）左移D0（28比特）左移D1（28比特）左移K1（48比特）壓縮置換Ci-1（28比特）左移Ci（28比特）左移Di-1（28比特）左移Di（28比特）左移Ki（48比特）壓縮置換C15（28比特）左移C16（28比特）D15（28比特）左移D16（28比特）K16（48比特）壓縮置換Ki-1（48比特）壓縮置換K15（48比特）壓縮置換2換位操作初始置換加密前，先把明文分成64比特的分組，然后將64比特二進(jìn)制碼輸入密碼器中。密碼器先對(duì)輸入的64位碼進(jìn)行初始置換.。58504234261810260524436282012462544638302214664564840322416857494133251791595143352719113615345372921135635547393123157初始置換是對(duì)64為明文分組進(jìn)行如圖所示的變換。讀法依然是從左到右，從上到下。初始置換表有明顯的規(guī)律性:上四行全為偶數(shù)，而且從上到下，從左到右是由小到大排列，下四行全為奇數(shù)，而且從上到下，從左到右是由小到大排列然后在64位主密鑰的產(chǎn)生的16個(gè)子密鑰控制下進(jìn)行16輪的乘積變換，接著再進(jìn)行末置換就可得到64比特已加密的密文。3、乘積變換乘積變換包括：擴(kuò)展置換，與48比特密鑰Ki進(jìn)行異或操作，S-盒置換，P-盒置換。、擴(kuò)展置換在每一輪的變換中，DES對(duì)上一輪結(jié)果的右半部分的32比特首先進(jìn)行擴(kuò)展置換。擴(kuò)展置換有時(shí)也叫E-盒置換，是將32比特?cái)?shù)據(jù)擴(kuò)展成48比特。擴(kuò)展置換的目的：一、 產(chǎn)生與密鑰同長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)便于同密鑰進(jìn)行異或操作；二、 提供更長(zhǎng)的結(jié)果，使得在非線性替換運(yùn)算中能進(jìn)行壓縮。擴(kuò)展置換具體過(guò)程：先將輸入的32比特的數(shù)據(jù)分成8組，每組4比特。把上一組的最后一位加在該組的前面，把下一組的最前的一位放在該組的后面，且8組為循環(huán)。R（i-1）（32位）擴(kuò)展置換后R（i-1）（48位）R28 R29 R30 R31 R32 R1擴(kuò)展置換:E（R）= R32 R1 R2 R3 R4 R5R4 R5 R6 R7 R8 R9R8 R9 R10 R11 R12 R13R12 R13 R14 R15 R16 R17 R16 R17 R18 R19 R20 R21R20 R21 R22 R23 R24 R25R24 R25 R26 R27 R28 R29R32 R1 R2 R3 R4 R5R28 R29 R30 R31 R32 R1然后再與已經(jīng)經(jīng)過(guò)移位和置換的48比特密鑰Ki進(jìn)行異或操作，將得到的結(jié)果新的48比特?cái)?shù)據(jù)送入S-盒進(jìn)行非線性替換。、S-盒置換S-盒將48比特的輸入分成8組，每組6比特。每一個(gè)6比特的分組由一個(gè)S-盒進(jìn)行以下操作：若輸入的6比特為A=（a1, a2, a3, a4, a5, a6）則a1 和a6 兩位二進(jìn)制數(shù)可以確定03之間的一個(gè)數(shù)字，它決定S-盒置換表中的某一行，而a2, a3, a4, a5,這四位二進(jìn)制數(shù)可以確定015之間的一個(gè)數(shù)字，它決定S-盒置換表中的某一列，行列叫界交叉初所存的十六進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換即為新的輸出。S盒（1）(0000) 0(0001)1(0010)2(0011)3(0100)4(0101)5(0110)6(0111)7(1000)8(1001)9(1010)10(1011)11(1100)12(1101)13(1110)14(1111)15（00）01441312151183106125907（01）10157414213110612119538（10）2411481621115129731050（11）31512824917511314100613S盒（2）(0000) 0(0001)1(0010)2(0011)3(0100)4(0101)5(0110)6(0111)7(1000)8(1001)9(1010)10(1011)11(1100)12(1101)13(1110)14(1111)15（00）015181461134972131205