des加密解密实验报告（des加密算法实验代码及报告）
des加密解密实验报告（des加密算法实验代码及报告）
第一步是用密钥初始化des
初始化的过程主要是用传入的密钥生成16对长度为48的Kn 子密钥
生成48位子密钥Kn的函数主要是 __create_sub_keys , 主要设计两个换位表pc1和pc2
key = self.__permutate(des.__pc1, self.__String_to_BitList(self.getKey())) 开始先用换位表生成56位的初始key值（同pc1表的位数)
之后划分成两部分self.L和self.R各28位，然后是一个循环16此的左移操作，最后用pc2换位表生成第一个子密钥Kn[0]
我们传入数据调用encrypt函数即可， DES.encrypt('flag{isisisikey}') 我们先来看encrypt函数
encrypt函数主要调用了crypt函数，继续跟进crypt函数，开始一部分是cbc模式获取iv的过程，这里先暂时不考虑cbc,直接看关键部分
这里就设计到分组加密的核心了，为什么DES又叫分组加密，有一操作是 block = self.__String_to_BitList(data[i:i+8]) 把加密数据每八个字节分成一个block,然后调用 __String_to_BitList 会将八字节字符转换为64bit的二进制，每个block再调用 __des_crypt 函数加密
开始几步和子密钥生成函数类似，用一个ip换位表初始化block,然后划分成self,L和self.R 各32位。
之后又是一个16轮的计算，我们分析一下每轮操作
self.R = self.__permutate(des.__expansion_table, self.R) 利用一个扩展表将32bit扩展成48位，扩展表:
B = [self.R[:6], self.R[6:12], self.R[12:18], self.R[18:24], self.R[24:30], self.R[30:36], self.R[36:42], self.R[42:]] 将48位的self.R 分成6*8为，之后一个循环就是经典的是s-box的置换操作
s-box盒一个八个，m是前后2bit,n是中间6bit, v是s-box的(n,m)处的值
self.R = self.__permutate(des.__p, Bn) 是P-box置换盒。 最后返回64bit的processed_block, 经过BitList_to_String函数处理就变成8字节的字符流了，最后把每个block分组join一块就是最后的密文。
我们再来总结一下这个过程
子密钥生成算法
des 加密算法
附上完整版des加解密算法脚本
完成一个DES 算法的 详细设计 ,内容包括：
DES（Data Encryption Standard）是一种用于电子数据加密的对称密钥块加密算法 .它以64位为分组长度，64位一组的明文作为算法的输入，通过一系列复杂的操作，输出同样64位长度的密文。DES 同样采用64位密钥，但由于每8位中的最后1位用于奇偶校验，实际有效密钥长度为56位。密钥可以是任意的56位的数，且可随时改变。
DES 使用加密密钥定义变换过程，因此算法认为只有持有加密所用的密钥的用户才能解密密文。DES的两个重要的安全特性是混淆和扩散。其中 混淆 是指通过密码算法使明文和密文以及密钥的关系非常复杂，无法从数学上描述或者统计。 扩散 是指明文和密钥中的每一位信息的变动，都会影响到密文中许多位信息的变动，从而隐藏统计上的特性，增加密码的安全。
DES算法的基本过程是换位和置换。如图，有16个相同的处理阶段，称为轮。还有一个初始和最终的排列，称为 IP 和 FP，它们是反向的 (IP 取消 FP 的作用，反之亦然)。
在主轮之前，块被分成两个32位的一半和交替处理；这种纵横交错的方案被称为Feistel 方法。Feistel 结构确保了解密和加密是非常相似的过程——唯一的区别是在解密时子键的应用顺序是相反的。其余的算法是相同的。这大大简化了实现，特别是在硬件中，因为不需要单独的加密和解密算法。
符号表示异或（XOR）操作。Feistel 函数将半块和一些键合在一起。然后，将Feistel 函数的输出与块的另一半组合在一起，在下一轮之前交换这一半。在最后一轮之后，两队交换了位置；这是 Feistel 结构的一个特性，使加密和解密过程类似。
IP 置换表指定64位块上的输入排列。其含义如下：输出的第一个比特来自输入的第58位;第二个位来自第50位，以此类推，最后一个位来自第7位输入。
最后的排列是初始排列的倒数。
展开函数被解释为初始排列和最终排列。注意，输入的一些位在输出时是重复的;输入的第5位在输出的第6位和第8位中都是重复的。因此，32位半块被扩展到48位。
P排列打乱了32位半块的位元。
表的“左”和“右”部分显示了来自输入键的哪些位构成了键调度状态的左和右部分。输入的64位中只有56位被选中；剩下的8（8、16、24、32、40、48、56、64）被指定作为奇偶校验位使用。
这个排列从56位键调度状态为每轮选择48位的子键。
这个表列出了DES中使用的8个S-box，每个S-box用4位的输出替换6位的输入。给定一个6位输入，通过使用外部的两个位选择行，以及使用内部的四个位选择列，就可以找到4位输出。例如，一个输入“011011”有外部位“01”和内部位“1101”。第一行为“00”，第一列为“0000”，S-box S5对应的输出为“1001”(=9)，即第二行第14列的值。
DES算法的基本流程图如下：
DES算法是典型的对称加密算法，在输入64比特明文数据后，通过输入64比特密钥和算法的一系列加密步骤后，可以得到同样为64比特的密文数据。反之，我们通过已知的密钥，可以将密文数据转换回明文。 我们将算法分为了三大块：IP置换、16次T迭代和IP逆置换 ，加密和解密过程分别如下：
实验的设计模式是自顶向下的结构，用C语言去分别是先各个函数的功能，最后通过主函数将所有函数进行整合，让算法更加清晰客观。
通过IP置换表，根据表中所示下标，找到相应位置进行置换。
对于16次 迭代，我们先将传入的经过 IP 混淆过的64位明文的左右两部分，分别为32位的 和32位的 。之后我们将 和 进行交换，得到作为IP逆置换的输入：
，
子密钥的生成，经历下面一系列步骤：首先对于64位密钥，进行置换选择，因为将用户输入的64 位经历压缩变成了56位，所以我们将左面和右面的各28位进行循环位移。左右两部分分别按下列规则做循环移位：当 ，循环左移1位；其余情况循环左移2位。最后将得到的新的左右两部分进行连接得到56位密钥。
对半块的 Feistel 操作分为以下五步：
如上二图表明，在给出正确的密码后，可以得到对应的明文。
若密码错误，将解码出错误答案。
【1】 Data Encryption Standard
【2】 DES算法的详细设计（简单实现）
【3】 深入理解并实现DES算法
【4】 DES算法原理完整版
【5】 安全体系（一）—— DES算法详解
DES算法与差分攻击
了解DES算法基本工作原理，体会并理解分组密码算法的混淆和扩散概念。了解Sbox工作原理及效果。了解DES的工作模式和填充方式。了解差分攻击
的基本原理。
IP置换目的是将输入的64位数据块按位重新组合，并把输出分为L0、R0两部分，每部分各长32位。
表中的数字代表新数据中此位置的数据在原数据中的位置，即原数据块的第58位放到新数据的第1位，第50位放到第2位，……依此类推，第7位放到第64位。置换后的数据分为L0和R0两部分，L0为新数据的左32位，R0为新数据的右32位。
不考虑每个字节的第8位，DES的密钥由64位减至56位，每个字节的第8位作为奇偶校验位。产生的56位密钥由下表生成（注意表中没有8,16,24，32,40,48,56和64这8位）：
在DES的每一轮中，从56位密钥产生出不同的48位子密钥，确定这些子密钥的方式如下：
1).将56位的密钥分成两部分，每部分28位。
2).根据轮数，这两部分分别循环左移1位或2位。每轮移动的位数如下表：
移动后，从56位中选出48位。这个过程中，既置换了每位的顺序，又选择了子密钥，因此称为压缩置换。压缩置换规则如下表（注意表中没有9，18，22，25，35，38，43和54这8位）：
压缩后的密钥与扩展分组异或以后得到48位的数据，将这个数据送人S盒，进行替代运算。替代由8个不同的S盒完成，每个S盒有6位输入4位输出。48位输入分为8个6位的分组，一个分组对应一个S盒，对应的S盒对各组进行代替操作。
一个S盒就是一个4行16列的表，盒中的每一项都是一个4位的数。S盒的6个输入确定了其对应的输出在哪一行哪一列，输入的高低两位做为行数H，中间四位做为列数L，在S-BOX中查找第H行L列对应的数据(32)。
S盒代替时DES算法的关键步骤，所有的其他的运算都是线性的，易于分析，而S盒是非线性的，相比于其他步骤，提供了更好安全性
S盒代替运算的32位输出按照P盒进行置换。该置换把输入的每位映射到输出位，任何一位不能被映射两次，也不能被略去，映射规则如下表：
表中的数字代表原数据中此位置的数据在新数据中的位置，即原数据块的第16位放到新数据的第1位，第7位放到第2位，……依此类推，第25位放到第32位。
末置换是初始置换的逆过程，DES最后一轮后，左、右两半部分并未进行交换，而是两部分合并形成一个分组做为末置换的输入。末置换规则如下表：
置换方法同上
实际应用中，DES是根据其加密算法所定义的明文分组的大小（64bits），将数据割成若干64bits的加密区块，再以加密区块为单位，分别进行加密处理。根据数据加密时每个加密区块间的关联方式，可以分为4种加密模式，包括ECB,CBC,CFB及OFB。
DES算法其中主要起作用的算法有：矩阵置换、扩展、左移、异或、左右互换、s盒作用 。其中对攻击者来说最麻烦的要说s盒一步，破解des体系关键在s盒。
乍一看六位输入与四位输出貌似没什么关系。但事实上，对于同一个s盒具有相同输入异或的所有输入六比特组的输出四比特异或值有一定规律。
具体些说，对于输入异或相同的明文对B，B*仅有32组，而这32组输出异或却并不是均匀分布，而是仅分布在很少的几个四比特值中；也可以说具有相同输入异或且输出四比特异或也相同的六比特输入数量不多且分布不均匀。正是这种输入输出输出异或间的不均匀性可以被攻击者利用并破解密钥。
结果表格：
一．加密
DES算法处理的数据对象是一组64比特的明文串。设该明文串为m=m1m2…m64 (mi=0或1)。明文串经过64比特的密钥K来加密，最后生成长度为64比特的密文E。其加密过程图示如下：
DES算法加密过程
对DES算法加密过程图示的说明如下：待加密的64比特明文串m，经过IP置换后，得到的比特串的下标列表如下：
IP 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 56 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
该比特串被分为32位的L0和32位的R0两部分。R0子密钥K1(子密钥的生成将在后面讲)经过变换f(R0,K1)（f变换将在下面讲）输出32位的比特串f1,f1与L0做不进位的二进制加法运算。运算规则为：
f1与L0做不进位的二进制加法运算后的结果赋给R1，R0则原封不动的赋给L1。L1与R0又做与以上完全相同的运算，生成L2，R2…… 一共经过16次运算。最后生成R16和L16。其中R16为L15与f(R15,K16)做不进位二进制加法运算的结果，L16是R15的直接赋值。
R16与L16合并成64位的比特串。值得注意的是R16一定要排在L16前面。R16与L16合并后成的比特串，经过置换IP-1后所得比特串的下标列表如下：
IP-1 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
经过置换IP-1后生成的比特串就是密文e.。
下面再讲一下变换f(Ri-1,Ki)。
它的功能是将32比特的输入再转化为32比特的输出。其过程如图所示：
对f变换说明如下：输入Ri-1(32比特)经过变换E后，膨胀为48比特。膨胀后的比特串的下标列表如下：
E: 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
膨胀后的比特串分为8组，每组6比特。各组经过各自的S盒后，又变为4比特(具体过程见后)，合并后又成为32比特。该32比特经过P变换后，其下标列表如下：
P: 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
经过P变换后输出的比特串才是32比特的f (Ri-1,Ki)。
下面再讲一下S盒的变换过程。任取一S盒。见图：
在其输入b1,b2,b3,b4,b5,b6中，计算出x=b1*2+b6, y=b5+b4*2+b3*4+b2*8，再从Si表中查出x 行，y 列的值Sxy。将Sxy化为二进制，即得Si盒的输出。（S表如图所示）
至此，DES算法加密原理讲完了。在VC++6.0下的程序源代码为：
for(i=1;i=64;i++)
m1[i]=m[ip[i-1]];//64位明文串输入，经过IP置换。
下面进行迭代。由于各次迭代的方法相同只是输入输出不同，因此只给出其中一次。以第八次为例：//进行第八次迭代。首先进行S盒的运算，输入32位比特串。
for(i=1;i=48;i++)//经过E变换扩充，由32位变为48位
RE1[i]=R7[E[i-1]];
for(i=1;i=48;i++)//与K8按位作不进位加法运算
RE1[i]=RE1[i]+K8[i];
for(i=1;i=48;i++)
{
if(RE1[i]==2)
RE1[i]=0;
}
for(i=1;i7;i++)//48位分成8组
{
s11[i]=RE1[i];
s21[i]=RE1[i+6];
s31[i]=RE1[i+12];
s41[i]=RE1[i+18];
s51[i]=RE1[i+24];
s61[i]=RE1[i+30];
s71[i]=RE1[i+36];
s81[i]=RE1[i+42];
}//下面经过S盒，得到8个数。S1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8分别为S表
s[1]=s1[s11[6]+s11[1]*2][s11[5]+s11[4]*2+s11[3]*4+s11[2]*8];
s[2]=s2[s21[6]+s21[1]*2][s21[5]+s21[4]*2+s21[3]*4+s21[2]*8];
s[3]=s3[s31[6]+s31[1]*2][s31[5]+s31[4]*2+s31[3]*4+s31[2]*8];
s[4]=s4[s41[6]+s41[1]*2][s41[5]+s41[4]*2+s41[3]*4+s41[2]*8];
s[5]=s5[s51[6]+s51[1]*2][s51[5]+s51[4]*2+s51[3]*4+s51[2]*8];
s[6]=s6[s61[6]+s61[1]*2][s61[5]+s61[4]*2+s61[3]*4+s61[2]*8];
s[7]=s7[s71[6]+s71[1]*2][s71[5]+s71[4]*2+s71[3]*4+s71[2]*8];
s[8]=s8[s81[6]+s81[1]*2][s81[5]+s81[4]*2+s81[3]*4+s81[2]*8];
for(i=0;i8;i++)//8个数变换输出二进制
{
for(j=1;j5;j++)
{
temp[j]=s[i+1]%2;
s[i+1]=s[i+1]/2;
}
for(j=1;j5;j++)
f[4*i+j]=temp[5-j];
}
for(i=1;i33;i++)//经过P变换
frk[i]=f[P[i-1]];//S盒运算完成
for(i=1;i33;i++)//左右交换
L8[i]=R7[i];
for(i=1;i33;i++)//R8为L7与f(R,K)进行不进位二进制加法运算结果
{
R8[i]=L7[i]+frk[i];
if(R8[i]==2)
R8[i]=0;
}
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DES算法及其在VC++6.0下的实现(下)
作者：航天医学工程研究所四室 朱彦军
在《DES算法及其在VC++6.0下的实现(上)》中主要介绍了DES算法的基本原理，下面让我们继续：
二．子密钥的生成
64比特的密钥生成16个48比特的子密钥。其生成过程见图：
子密钥生成过程具体解释如下：
64比特的密钥K，经过PC-1后，生成56比特的串。其下标如表所示：
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
该比特串分为长度相等的比特串C0和D0。然后C0和D0分别循环左移1位，得到C1和D1。C1和D1合并起来生成C1D1。C1D1经过PC-2变换后即生成48比特的K1。K1的下标列表为：
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
C1、D1分别循环左移LS2位，再合并，经过PC-2，生成子密钥K2……依次类推直至生成子密钥K16。
注意：Lsi (I =1,2,….16)的数值是不同的。具体见下表：
迭代顺序 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
生成子密钥的VC程序源代码如下：
for(i=1;i57;i++)//输入64位K，经过PC-1变为56位 k0[i]=k[PC_1[i-1]];
56位的K0，均分为28位的C0，D0。C0，D0生成K1和C1，D1。以下几次迭代方法相同，仅以生成K8为例。 for(i=1;i27;i++)//循环左移两位
{
C8[i]=C7[i+2];
D8[i]=D7[i+2];
}
C8[27]=C7[1];
D8[27]=D7[1];
C8[28]=C7[2];
D8[28]=D7[2];
for(i=1;i=28;i++)
{
C[i]=C8[i];
C[i+28]=D8[i];
}
for(i=1;i=48;i++)
K8[i]=C[PC_2[i-1]];//生成子密钥k8
注意：生成的子密钥不同，所需循环左移的位数也不同。源程序中以生成子密钥 K8为例，所以循环左移了两位。但在编程中，生成不同的子密钥应以Lsi表为准。
三．解密
DES的解密过程和DES的加密过程完全类似，只不过将16圈的子密钥序列K1，K2……K16的顺序倒过来。即第一圈用第16个子密钥K16，第二圈用K15，其余类推。
第一圈：
加密后的结果
L=R15, R=L15⊕f(R15,K16)⊕f(R15,K16)=L15
同理R15=L14⊕f(R14,K15), L15=R14。
同理类推：
得 L=R0, R=L0。
其程序源代码与加密相同。在此就不重写。
四．示例
例如：已知明文m=learning, 密钥 k=computer。
明文m的ASCII二进制表示：
m= 01101100 01100101 01100001 01110010
01101110 01101001 01101110 01100111
密钥k的ASCII二进制表示：
k=01100011 01101111 01101101 01110000
01110101 01110100 01100101 01110010
明文m经过IP置换后，得：
11111111 00001000 11010011 10100110 00000000 11111111 01110001 11011000
等分为左右两段：
L0=11111111 00001000 11010011 10100110 R0=00000000 11111111 01110001 11011000
经过16次迭代后，所得结果为：
L1=00000000 11111111 01110001 11011000 R1=00110101 00110001 00111011 10100101
L2=00110101 00110001 00111011 10100101 R2=00010111 11100010 10111010 10000111
L3=00010111 11100010 10111010 10000111 R3=00111110 10110001 00001011 10000100
L4=00111110101100010000101110000100 R4=11110111110101111111101000111110
L5=11110111110101111111101000111110 R5=10010110011001110100111111100101
L6=10010110011001110100111111100101 R6=11001011001010000101110110100111
L7=11001011001010000101110110100111 R7=01100011110011101000111011011001
L8=01100011110011101000111011011001 R8=01001011110100001111001000000100
L9=01001011110100001111001000000100 R9=00011101001101111010111011100001
L10=00011101001101111010111011100001 R10=11101110111110111111010100000101
L11=11101110111110111111010100000101 R11=01101101111011011110010111111000
L12=01101101111011011110010111111000 R12=11111101110011100111000110110111
L13=11111101110011100111000110110111 R13=11100111111001011010101000000100
L14=11100111111001011010101000000100 R14=00011110010010011011100001100001
L15=00011110010010011011100001100001 R15=01010000111001001101110110100011
L16=01010000111001001101110110100011 R16=01111101101010000100110001100001
其中，f函数的结果为：
f1=11001010001110011110100000000011 f2=00010111000111011100101101011111
f3=00001011100000000011000000100001 f4=11100000001101010100000010111001
f5=10101000110101100100010001100001 f6=00111100111111111010011110011001
f7=11110101101010011100000100111100 f8=10000000111110001010111110100011
f9=01111110111110010010000000111000 f10=10100101001010110000011100000001
f11=01110000110110100100101100011001 f12=00010011001101011000010010110010
f13=10001010000010000100111111111100 f14=11100011100001111100100111010110
f15=10110111000000010111011110100111 f16=01100011111000011111010000000000
16个子密钥为：
K1=11110000101111101110111011010000 K2=11100000101111101111011010010101
K3=11110100111111100111011000101000 K4=11100110111101110111001000011010
K5=11101110110101110111011100100110 K6=11101111110100110101101110001011
K7=00101111110100111111101111100110 K8=10111111010110011101101101010000
K9=00011111010110111101101101000100 K10=00111111011110011101110100001001
K11=00011111011011011100110101101000 K12=01011011011011011011110100001010
K13=11011101101011011010110110001111 K14=11010011101011101010111110000000
K15=11111001101111101010011011010011 K16=11110001101111100010111000000001
S盒中，16次运算时，每次的8 个结果为：
第一次：5，11，4，1，0，3，13，9；
第二次：7，13，15，8，12，12，13，1；
第三次：8，0，0，4，8，1，9，12；
第四次：0，7，4，1，7，6，12，4；
第五次：8，1，0，11，5，0，14，14；
第六次：14，12，13，2，7，15，14，10；
第七次：12，15，15，1，9，14，0，4；
第八次：15，8，8，3，2，3，14，5；
第九次：8，14，5，2，1，15，5，12；
第十次：2，8，13，1，9，2，10，2；
第十一次：10，15，8，2，1，12，12，3；
第十二次：5，4，4，0，14，10，7，4；
第十三次：2，13，10，9，2，4，3，13；
第十四次：13，7，14，9，15，0，1，3；
第十五次：3，1，15，5，11，9，11，4；
第十六次：12，3，4，6，9，3，3，0；
子密钥生成过程中，生成的数值为：
C0=0000000011111111111111111011 D0=1000001101110110000001101000
C1=0000000111111111111111110110 D1=0000011011101100000011010001
C2=0000001111111111111111101100 D2=0000110111011000000110100010
C3=0000111111111111111110110000 D3=0011011101100000011010001000
C4=0011111111111111111011000000 D4=1101110110000001101000100000
C5=1111111111111111101100000000 D5=0111011000000110100010000011
C6=1111111111111110110000000011 D6=1101100000011010001000001101
C7=1111111111111011000000001111 D7=0110000001101000100000110111
C8=1111111111101100000000111111 D8=1000000110100010000011011101
C9=1111111111011000000001111111 D9=0000001101000100000110111011
C10=1111111101100000000111111111 D10=0000110100010000011011101100
C11=1111110110000000011111111111 D11=0011010001000001101110110000
C12=1111011000000001111111111111 D12=1101000100000110111011000000
C13=1101100000000111111111111111 D13=0100010000011011101100000011
C14=0110000000011111111111111111 D14=0001000001101110110000001101
C15=1000000001111111111111111101 D15=0100000110111011000000110100
C16=0000000011111111111111111011 D16=1000001101110110000001101000
