xx工程大学实验报告（2015-2016学年第一学期）报告题目：DES加密算法课程名称：密码学B任课教员：专业：学号：姓名：二O一六年一月十八日一、课程概述目的：培养学员的编程能力，理解算法原理。
要求：给出DES算法的软件实现，测试DES的加密速度。
二、设计思路使用C++语言进行编程，简化了输入输出语句。
预处理时加入了iostream包。
使用了std名字空间。
加密时程序输入的明文是8个ascii码，生成一个16个16进制数的密文。
脱密时程序输入的密文是16个16进制数，生成一个8个ascii码的明文。
加脱密所用密钥均由16个16进制数组成。
其中16进制数全部使用大写字母。
程序中大量使用了的布尔数组，一个bool型变量只占用一位存储空间，比int型、char型变量要小的多。
这降低了程序的空间复杂度。
三、采取的方案本程序是将一个由8个ascii码组成的明文分组加密，生成一个由16个16进制数组成的密文。
或将一个由16个16进制数组成的密文进行脱密，生成一个由8个ascii 码组成的明文。
所用密钥由16个16进制数组成。
本实验按照输入数据及初始置换、16圈迭代、子密钥生成和逆初始置换及输出数据四个步骤实现加密算法设计。
1、输入数据及初始置换本程序首先会提示用户输入加密脱密识别码，加密输入1，脱密输入0，将此识别码存入整形变量o。
根据o的不同值，提示用户输入8个字符（加密）或16个16进制数（脱密）。
输入的明文或密文转化为二进制数后储存到布尔型数组m[65]中。
初始置换通过函数IP完成，函数输入为原始明文m，函数将输出结果保存到布尔型数组mip[65]中。
函数思想为查表，含有一个整形变量数组ip[64]，保存初始变换表IP。
将mip的第i位赋值为m的第ip[i]位。
2、子密钥生成输入16个16进制数的密钥后，将密钥保存在一个16位字符数组c中，通过ToEr函数将之变为二进制数。
ToEr函数输入为字符数组，通过switch语句逐个检查字符数组的每一位，将对应的四位二进制数存在64位布尔数组k中。
64 bit密钥去掉每个字节的最高位得到56 bit密钥输入，通过置换选择1变换得到0C和0D各28 bit，通过Zhihuan_1函数实现置换选择一。
Zhihuan_1函数输入为二进制密钥数组k[64]，输出为C0和D0，将C0、D0分别储存在28位布尔数组C、D中。
函数采用查表方式生成C0和D0。
根据迭代的轮数确定C和D移位循环的位数，主程序中利用一个16位整形数组来存放每一次循环左移的位数。
循环左移通过XunHuan函数实现，函数输入为循环位数和长度为28的布尔数组（C或者D），函数运行一次只能改变一个布尔数组的值。
为了减低编程复杂度，程序使用串行方法，分两次进行C、D的移位。
每完成一次C和D的移位，进行一次置换选择二。
置换选择二利用zhihuan_2函数完成。
思想和Zhihuan_1函数类似。
zhihuan_2函数输入为移位后的C、D，zhihuan_2函数将圈子密钥存放在16*48的二维布尔数组kk[17][49] 中。
kk[i][48]表示第i圈的圈子密钥。
原理图如图1所示。
脱密（o=0时）需要将圈子密钥交换，此时可利用kk[0][49]充当中间变量，无需定义新的变量减少了系统开销。
1216图1 圈子密钥生成算法3、16圈迭代DES的每一圈迭代采用的是Feistel模型，先将初始置换后的明文mip数组分成L 和R两部分，先将R的内容放在等长的布尔数组T中，最后时需要将L的值赋为T。
之后进入F函数，F函数原理如图2。
图2 F函数原理图程序中的F函数输入有初始置换结果的右半部分R、圈子密钥kk、迭代圈数i。
输出保存在R中。
先将输入的R通过查表的方法进行E拓展，结果保存在48位布尔数组a中。
再将a与圈子密钥k按位模二加。
结果保存在a中。
接下来将a分成8组，分别进入8个S盒。
用for控制循环8次，每次操作选用6位二进制代码的开头一位和最后一位转化成十进制数，控制S盒的行数，再将6位二进制代码的中间四位转化成十进制数，控制S盒的列数。
进入第几个S盒有迭代圈数i确定。
取到S盒中的十进制数后，将它转化成二进制数，储存在32位布尔数组T中，在使用查表法完成P盒置换，最终结果保存在R中。
最后将L与R按位模二加，得到新的R，完成一次迭代。
4、逆初始置换16次迭代后，先将L16和R16连接起来，保存到64位布尔数组m中，m之前用于保存明文，这样减小了程序占用的空间。
另外，为了保证加脱密算法的一致性，迭代时最后一圈不需要交换L与R，但程序中为了简化编程复杂度，在迭代时仍然交换了L 与R。
所以在连接时需要再次交换L与R。
所以m的高32位应储存R，低32位应储存L。
逆初始置换原理同初始置换步骤，不再赘述。
四、取得的成果利用密钥201601211438FBCA对明文81623317加密，密文为6B217C871EAE79D2H结果如图3所示。
图3 DES加密结果图利用密钥201601211438FBCA对密文6B217C871EAE79D2脱密，明文为81623317。
结果如图4所示。
图4 DES脱密结果图变换不同明文及密钥，均可以正常加脱密。
在报告中不再罗列。
五、心得体会DES算法是一种分组密码算法，本人通过对一个明文分组的加脱密进行编程，耗时近一个月，独立完成了次算法的C++实现。
本人的程序不同于网上找的DES算法程序，网上的大多数程序的密文都是以ASCII码来输出的。
但是，这样输出的结果有很多乱码出现。
因为ASCII码只有在小范围内输出的结果是正常的字母、数字或者符号（从33至127），如果按ASCII输出乱码密文，脱密者就很难键入这些密文，只能通过复制粘贴进行。
而VC6.0的环境在控制台中很难进行复制操作，这样如果不借助文件，就很难完成密文的脱密。
而密文按16进制输出就不存在这个问题。
二进制串与ASCII码、16进制数之间的转化也是实验的难点之一。
C语言的课上没有讲过位运算的相关知识，本人只能通过除以二取余、查表等笨办法进行转化。
同样，密钥选用16进制也是一个道理，如果只用字符输入密钥，密钥的每八位就会局限在00100001（33）至01111111（127）范围之内，超过范围就无法用键盘进行输入密钥，这样破译者如果看到了加密程序源代码，相应的穷尽时间会减少。
通过本次编程，我发现我对C/C++语言的掌握还是不够，尤其是涉及到位运算。
我也会找机会自学这一部分内容。
六、附录程序代码：#include <iostream>using namespace std;void ToEr(char c[],bool k[]){int i,j;j=0;for(i=1;i<=16;i++){switch (c[i]){case '0':k[j++]=0;k[j++]=0;k[j++]=0;k[j++]=0;break;case '1':k[j++]=0;k[j++]=0;k[j++]=0;k[j++]=1;break;case '2':k[j++]=0;k[j++]=0;k[j++]=1;k[j++]=0;break;case '3':k[j++]=0;k[j++]=0;k[j++]=1;k[j++]=1;break;case '4':k[j++]=0;k[j++]=1;k[j++]=0;break; case '5':k[j++]=0;k[j++]=1;k[j++]=0;k[j++]=1;break; case '6':k[j++]=0;k[j++]=1;k[j++]=1;k[j++]=0;break; case '7':k[j++]=0;k[j++]=1;k[j++]=1;k[j++]=1;break; case '8':k[j++]=1;k[j++]=0;k[j++]=0;k[j++]=0;break; case '9':k[j++]=1;k[j++]=0;k[j++]=1;break; case 'A':k[j++]=1;k[j++]=0;k[j++]=1;k[j++]=0;break; case 'B':k[j++]=1;k[j++]=0;k[j++]=1;k[j++]=1;break; case 'C':k[j++]=1;k[j++]=1;k[j++]=0;k[j++]=0;break; case 'D':k[j++]=1;k[j++]=1;k[j++]=0;k[j++]=1;break; case 'E':k[j++]=1;k[j++]=1;k[j++]=1;k[j++]=0;break;case 'F':k[j++]=1;k[j++]=1;k[j++]=1;k[j++]=1;break;}}// for (i=0;i<64;i++) cout<<k[i];// cout<<endl;}void MtoEr(char asc[],bool m[]){int i,j,flag,f;int as[9];bool z[9]={0},t;for(i=1;i<=8;i++) as[i] = (int)asc[i];for (i=1;i<=8;i++){f=1;flag = 8 * (i-1);while(as[i]!=0){z[f] = as[i] % 2;as[i] /= 2;f++;}// for(j=1;j<=8;j++) cout<<z[j];// cout<<endl;for(j=1;j<=4;j++) {t = z[j];z[j] = z[9-j];z[9-j] = t;}// z[1] = 0;for(j=1;j<=8;j++) m[flag+j] = z[j];for(j=1;j<=8;j++) z[j]=0;}// for(j=1;j<=64;j++) cout<<m[j];// cout<<endl;}void IP(bool m[],bool mip[]){int ip[64]={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, 7,56, 48, 40, 32, 24, 16, 8, 0,58, 50, 42, 34, 26, 18, 10, 2,60, 52, 44, 36, 28, 20, 12, 4,62, 54, 46, 38, 30, 22, 14, 6};for (int i=1;i<=64;i++) mip[i]=m[ip[i-1]+1];}void IP2(bool m[],bool mip[]){int ip[64]={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, 25,32, 0, 40, 8, 48, 16, 56, 24};for (int i=1;i<=64;i++) mip[i]=m[ip[i-1]+1]; }void Zhihuan_1(bool k[],bool C[],bool D[]){int a[28]={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};int b[28]={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};int i;for(i=1;i<=28;i++) C[i]=k[a[i-1]];for(i=1;i<=28;i++) D[i]=k[b[i-1]];// for(i=1;i<=28;i++) cout<<C[i]; cout<<endl;// for(i=1;i<=28;i++) cout<<D[i]; cout<<endl;}void zhihuan_2(bool C[],bool D[],bool k[][49],int q) {int a[48]={13,16,10,23,0,4,2,27,14,5,20,9,22,18,11,3,25,7,15,6,26,19,12,1,40,51,30,36,46,54,29,39,50,44,32,47,43,48,38,55,33,52,45,41,49,35,28,31};int i;bool T[57];for (i=1;i<=56;i++){if(i<=28) T[i] = C[i];else T[i] = D[i-28];}for(i=1;i<=48;i++)k[q+1][i]=T[a[i-1]+1];// for (i=1;i<=48;i++) cout<<k[q+1][i]; cout<<endl; }void XunHuan(int x,bool C[]){int i;bool T[29];for(i=1;i<29;i++) T[i] = C[(i+x)%28+1];for(i=1;i<29;i++) C[i] = T[i];}void F(bool R[],bool kk[][49],int x){int E[48]={31, 0, 1, 2, 3, 4,3, 4, 5, 6, 7, 8,7, 8, 9, 10, 11, 12,11, 12, 13, 14, 15, 16,15, 16, 17, 18, 19, 20,19, 20, 21, 22, 23, 24,23, 24, 25, 26, 27, 28,27, 28, 29, 30, 31, 0};int S[8][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}}};int i,j,p,a1,a2,k[8];bool a[49],b[33];for (i=1;i<=48;i++) a[i] = R[E[i-1]+1];// for (i=1;i<=48;i++) cout<<a[i];for (i=1;i<=48;i++) a[i]^= kk[x][i];// for (i=1;i<=48;i++) cout<<a[i];p=1;for (i=0;i<8;i++){a1 = a[p]*2+a[p+5];//左右两位换成十进制数a2 = a[p+1]*8+a[p+2]*4+a[p+3]*2+a[p+4]; //中间4位换成十进制数// cout<<a1<<endl;// cout<<a2<<endl;p += 6;k[i] = S[i][a1][a2];// cout<<k[i]<<endl;}p=1;for (i=0;i<8;i++){switch (k[i]){case 0: b[p++] = 0;b[p++] = 0;b[p++] = 0;b[p++] = 0;break;case 1: b[p++] = 0;b[p++] = 0;b[p++] = 0;b[p++] = 1;break;case 2: b[p++] = 0;b[p++] = 0;b[p++] = 1;b[p++] = 0;break;case 3: b[p++] = 0;b[p++] = 0;b[p++] = 1;b[p++] = 1;break;case 4: b[p++] = 0;b[p++] = 1;b[p++] = 0;b[p++] = 0;break;case 5: b[p++] = 0;b[p++] = 1;b[p++] = 0;b[p++] = 1;break;case 6: b[p++] = 0;b[p++] = 1;b[p++] = 1;b[p++] = 0;break; case 7: b[p++] = 0;b[p++] = 1;b[p++] = 1;b[p++] = 1;break; case 8: b[p++] = 1;b[p++] = 0;b[p++] = 0;b[p++] = 0;break; case 9: b[p++] = 1;b[p++] = 0;b[p++] = 0;b[p++] = 1;break; case 10: b[p++] = 1;b[p++] = 0;b[p++] = 1;b[p++] = 0;break; case 11: b[p++] = 1;b[p++] = 0;b[p++] = 1;b[p++] = 1;break; case 12: b[p++] = 1;b[p++] = 1;b[p++] = 0;b[p++] = 0;break; case 13: b[p++] = 1;b[p++] = 1;b[p++] = 0;b[p++] = 1;break;case 14: b[p++] = 1;b[p++] = 1;b[p++] = 1;b[p++] = 0;break;case 15: b[p++] = 1;b[p++] = 1;b[p++] = 1;b[p++] = 1;break;}}bool T[33];for(i=1;i<=32;i++) T[i]=b[i];int P[32]={15,6,19,20,28,11,27,16,0,14,22,25,4,17,30,9,1,7,23,13,31,26,2,8,18,12,29,5,21,10,3,24};for(i=1;i<=32;i++) R[i]=T[P[i-1]+1];}void main(){ char c[17],asc[9];int i,j,mout[17];bool k[65],kk[17][49],C[29],D[29],m[65],mip[65],L[33],R[33],T[33]; //k存放二进制密钥,kk存放16圈的圈子密钥，m存放明文，mip存放明文初始变换后int z[16]={1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1};int o; //C、D存放圈子密钥生产算法的左右两个部分。