D E S加密解密课程设计报告Prepared on 22 November 2020成都信息工程学院课程设计报告DES算法加密与解密的设计与实现课程名称：密码算法程序设计学生姓名：学生学号：专业班级：任课教师：XX年 XX 月 XX 日目录1背景DES算法概述DES（Data Encryption Standard）是由美国IBM公司于20世纪70年代中期的一个密码算（LUCIFER）发展而来，在1977年1月15日，美国国家标准局正式公布实施，并得到了ISO的认可，在过去的20多年时间里，DES被广泛应用于美国联邦和各种商业信息的保密工作中，经受住了各种密码分析和攻击，有很好的安全性。
然而，目前DES算法已经被更为安全的Rijndael算法取代，但是DES加密算法还没有被彻底的破解掉，仍是目前使用最为普遍的对称密码算法。
所以对DES的研究还有很大价值，在国内DES算法在POS、ATM、磁卡及智能卡（IC卡）、加油站、高速公路收费站等领域被广泛应用，以此来实现关键的数据保密，如信用卡持卡人的PIN 码加密传输，IC卡与POS机之间的双向认证、金融交易数据包的MAC校验等，均用到DES算法。
DES算法是一种采用传统的代替和置换操作加密的分组密码，明文以64比特为分组，密钥长度为64比特，有效密钥长度是56比特，其中加密密钥有8比特是奇偶校验，DES的加密和解密用的是同一算法，它的安全性依赖于所用的密钥。
它首先把需要加密的明文划分为每64比特的二进制的数据块，用56比特有效密钥对64比特二进制数据块进行加密，每次加密可对64比特的明文输入进行16轮的替换和移位后，输出完全不同的64比特密文数据。
由于DES算法仅使用最大为64比特的标准算法和逻辑运算，运算速度快，密钥容易产生，适合于在大多数计算机上用软件快速实现，同样也适合于在专用芯片上实现。
DES算法描述DES算法的加密过程首先对明文分组进行操作，需要加密的明文分组固定为64比特的块。
图1-1是DES加密算法的加密流程。
图1-2是密钥扩展处理过程。
图1-1DES加密算法流程图1-2子密钥产生流程2系统设计系统主要目标（1）用C++设计一个DES加密/解密软件系统；（2）完成一个明文分组的加解密，明文和密钥是ASCII码，长度都为8个字符，输入明文和密钥，输出密文，进行加密后，能够进行正确的解密；（3）程序运行时，要求输出第15、16轮的密钥，以及第15、16轮加密或解密之后的值，16进制表示；（4）程序有良好的人机交互操作；（5）要求从两个文件分别读取明文和密钥，并在程序中输出明文及密钥；（6）要求提供所设计系统的报告及完整的软件。
系统运行环境本软件用C语言编写，编写时所用的工具主要是Microsoft Visual C++。
编辑成功后的.EXE文件可以在装有windows系统的任何计算机上使用。
测试平台：Windows 7旗舰版使用软件：Microsoft Visual C++3功能需求分析整体功能分析DES算法一轮的功能分析4模块划分初始置换首先输入64比特的明文块，按照初始置换（IP）表进行置换，DES初始置换表如图3-1所示。
图4-1 初始置换表轮结构经过DES算法第一阶段的初始置换得到的64比特块分为两部分，前32位为左半部分，后32位为右半部分，如上面图3-2所示，DES算法的论结构分为左右两部分32比特在每一轮中被独立处理。
具体过程为：下一轮左半部分32比特L i等于上一轮右半部分32比特R i−1；而下一轮右半部分的32比特R i的计算则是由上一轮右半部分R i−1和轮密钥K i输入到F函数中进行变换，变换结果与上一轮左半部分L i进行异或运算，得到R i。
因此每一轮的变换可由下面公式表示：L i=R1−1R i=L i−1⊕F(R i−1,K i)E盒扩充变换将右半部分的32比特，进行E盒扩展，扩展成为48比特。
具体变换过程为把输入的32比特按照8行4列方式依次排列，形成一个8*4矩阵，然后E 盒扩展之后输出8*6矩阵。
图4-2 E盒扩展S盒压缩变换将E盒的输出与子密钥进行异或得到的48比特作为S盒的输入，进入S 盒变换，48比特压缩为32比特。
S盒的安全性能是保证DES算法安全性的源泉，DES算法共有8个不同的S盒，每个S盒接受6位输入，输出4位。
8个S 盒如下：P盒置换S盒输出的32比特经过P盒置换，重新编排32比特的位置。
下图为P 盒置换过程。
图4-3P盒置换逆初始置换DES算法进行完16轮运算之后，需要进行逆初始置换，逆初始置换正好为初始置换的逆，如一个矩阵进行初始置换之后输出，在进行依次逆初始置换的输出结果为初始矩阵。
5程序分模块实现将字符串转换成二进制流用ToBin（）函数把输入的明文、密钥、密文转换为二进制流，其中p是输入的字符串，b是转换后的二进制流。
void To2Bin(char p[],int b[]) {int i=0,k=0;for(i=0;i<8;i++){int j=0x80;for(;j;j>>=1){if(j&p[i]){b[k++]=1;}else{b[k++]=0;}}}}子密钥的产生子密钥产生函数：SubKey（），其中参数K0为输入的密钥。
用到Replacement（）函数，此函数实现密钥PC_1置换，和PC_2置换。
Lif_move()函数实现每一轮的左移位功能。
void SubKey(int K0[]) //子密钥产生函数{int i=0;int K1[56],K2[56];int C[17][28],D[17][28];Replacement(K0,PC_1,K1,56); //密钥置换PC_1for(i=0;i<28;i++) //将PC_1输出的56比特分为左右两部分{C[0][i]=K1[i];D[0][i]=K1[i+28];}i=0;while(i<16){int j;lif_move(C[i],C[i+1],move_times[i]);lif_move(D[i],D[i+1],move_times[i]);for(j=0;j<28;j++){K2[j]=C[i+1][j];K2[j+28]=D[i+1][j];}Replacement(K2,PC_2,K[i],48); //密钥置换PC_2i++;}}函数的计算F函数为加密做准备，其中的Replacement()实现E盒扩展，P盒置换。
S_compress（）函数实现S盒的压缩变化。
void F_Function(int a[32],int b[32],int n) //F函数{int i;int tmp[48];int tep[32];Replacement(a,E_Table,tmp,48);for(i=0;i<48;i++){tmp[i]=tmp[i]^K[n][i];}S_compress(tmp,tep);Replacement(tep,P_Table,b,32);}16轮加密的实现Encryption（）函数实现16轮加密，其中F_Function（）函数即为F函数。
void Encryption(int m0[64],int c1[64]){int i,k;int arry[32];int c0[64],m1[64];Replacement(m0,IP_Table,m1,64); //初始置换IPfor(i=0;i<32;i++){L[0][i]=m1[i];R[0][i]=m1[i+32];}k=1;while(k<17){F_Function(R[k-1],arry,k-1);for(i=0;i<32;i++){L[k][i]=R[k-1][i];R[k][i]=L[k-1][i]^arry[i];}k++;}for(i=0;i<32;i++){c0[i]=R[16][i];c0[i+32]=L[16][i];}Replacement(c0,IP_1_Table,c1,64); //逆初始置换}把二进制转换为10进制转换为十进制是为输出16进制做准备，To10（）函数把每四个字节转换成一个10进制数。
解密的实现解密函数Decryption（），解密过程中先有change（）函数把密钥互换，然后用和加密相同的算法则可正确解密。
程序运行界面预览可根据需要选择加密和解密，加密又可选择直接输入明文和密钥或是从文件读取明文和密钥。
6测试报告程序总体运行情况加密情况：密钥中间过程16轮子密钥如下：子密钥生成过程中的值:经过测试这些函数，能够得到正确的16轮密钥加密过程的中间结果初始二进制明文和密钥：初始IP：第一轮E盒扩展结果：第一轮S盒输出：第一轮P盒置换结果：IP逆置换：经过对个函数的测试，能正确加密。
解密过程的中间结果解密的密钥还是加密时的密钥，得到16轮子密后，将顺序全部颠倒一下。
因为解密过程与加密过相返。
准备解密的密文：初始IP：第一次E盒扩展：第一次S盒压缩：第一次P盒置换：解密后的二进制结果：经过对个函数的测试，能正确加密。
7课程报告总结通过这次程序设计，我学到了很多东西，首先更深入的理解了DES算法，不仅完完全全弄懂了DES算法的各个过程，像密钥产生过程中的左移位、S盒的压缩变换等，也能一一实现。
其次也提高了编程技巧，在处理一些问题时能选择较佳的方法。
因为在做这个软件的时候看了很多别人的代码，所以我还是学到了不少东西，我看到别人的封装更好，代码也整洁，使用一些更好的实现方法。
再看我代码，我就感觉我的代码重用率很差。
还有一些编程方面的习惯也不太好。
通过此次实践我发现很多不足，以后还要去弥补这些不足。
参考文献：[1] 谭浩强C程序设计（第三版）清华大学出版社2009[2]张世斌万武南张金全孙宣东现代密码学西安电子科技大学出版社2009。