基于利用Matlab语言实现DES加密算法毕业设计.docx

密码学与网络安全课程实验利用matlab语言实现des加密算法姓名：za 学号：xxxxx一、 实验目的1） 牢固掌握des密码算法2） 通过编程实现des算法，深入掌握现代密码算法实现的基本方法3） 验证des算法中各个模块在实现混淆和弥散中的作用二、 实验内容要求1） des算法实现：利用matlab语言实现des密码算法，输入64比特明文和56比特密钥，加密得到64比特的密文；2） des弱密钥验证：观察弱密钥两次加密的结果，与非弱密钥两次加密的结果进行比较；3） des算法初步应用：尝试加密一个字符串，字符串的长度大于8个字节；4） des弥散特性分析：试输出每一轮加密得到的比特序列，并比较当初始明文1个比特发生变化时，每一轮加密输出的哪些比特发生变化。三、 实验方案与步骤3.1 des算法实现a) 算法实现方案matlab（矩阵实验室）是一款工程计算用的软件，功能十分强大。matlab的计算基于矩阵，而des算法用矩阵描述是十分简洁方便的。因此，选用matlab作为算法实现语言，基于一系列的矩阵变换、运算来实现des算法的加密。b) 主要功能实现流程及代码解析1) 加密程序图1 des基本结构des算法的结构非常简单，是一个16次的迭代。核心是函数中一系列变换。根据算法框图，程序步骤主要分为三大部分：1) 输入明文和密钥进行字符转换2) 产生16轮密钥矩阵3) 16轮迭代%demo5.mclc, clear all;%-第一步 输入明文和密钥-%m=0123456789abcdef;% k=0123456789abcdef;%mb=; for i=1:16 mi=m(i); mbi=0000,dec2bin(hex2dec(mi); mbi=mbi(end-3:end); mbi=str2num(mbi(1),str2num(mbi(2),str2num(mbi(3),str2num(mbi(4); mb=mb,mbi; endm=mb;% 转化为64位二进制明文kb=; for i=1:16 ki=k(i); kbi=0000,dec2bin(hex2dec(ki); kbi=kbi(end-3:end); kbi=str2num(kbi(1),str2num(kbi(2),str2num(kbi(3),str2num(kbi(4); kb=kb,kbi; endk=kb;% 转化为64位二进制密钥 %-第三步 产生密钥-%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;%pc_1置换矩阵 56位key0=k(pc_1);% 初始矩阵变换 64 to 56%循环移位shift_array=-1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1; c(1,:)=key0(1:28);%c0d(1,:)=key0(29:56);%d0for i=2:17c(i,:)=circshift(c(i-1,:),shift_array(i-1); %前28位循环移位%circshift是右移 移动负数位表示左移d(i,:)=circshift(d(i-1,:),shift_array(i-1); %后28位循环移位endpc2=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;ki=zeros(16,48);%循环移位key_mat=c,d;%17*56key_mat=key_mat(2:17,:);%16*56pc_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; for i=1:16ki(i,:)=key_mat(i,pc_2);endkey=ki;%-第四步 feistel结构-%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;%ip初始置换矩阵 m=m(ip);%初始置换 m0_l=m(1:32); %输入的左半部分明文 m0_r=m(33:64);% 输入的右半部分明文 l,r=fchange(m0_l,m0_r,1,key); mi=l,r; mi2_hex(1,:)=mi%进入16轮迭代 for i=2:16 l,r=fchange(l,r,i,key); mi=l,r; mi2_hex(i,:)=mi end 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;%ip_1初始逆置换矩阵m16=r,l;% 最后一步进行交换c=m16(ip_1); %ip逆置换m_hex=m_2_hex(c)% 转化为16进制 输出密文%fchange.mfunction li,ri = fchange(li_1,ri_1,m,key)%第i轮f函数的实现 输入ri-1 表示第i-1轮的右半部分密文 输出第i轮的密文 ri_1_ex=trm32_to_48(ri_1);% 第一步 右半明文进行32to48扩展 ok ri_1_ex2=reshape(ri_1_ex,1,48); %将扩展的48位变为向量 ok f=bitxor(key(m,:),ri_1_ex2); %与第i轮密钥按位异或 f1=reshape(f,6,8); %变为矩阵 8个6位二进制数 8*6 %经过s1盒 s=s_box(1); x=2*f1(1,1)+f1(1,6); %s盒纵坐标 y=8*f1(1,2)+4*f1(1,3)+2*f1(1,4)+f1(1,5); %s盒横坐标 f2=s(x+1,y+1); %取s盒中某一数 f2_bin=0000,dec2bin(f2);% % 字符串处理 f2_bin=f2_bin(end-3:end); f2_1=str2num(f2_bin(1),str2num(f2_bin(2),str2num(f2_bin(3),str2num(f2_bin(4);%省略s2s8盒 ri_1_p=p_exchange(f2s); %转化为向量并置换运算p ri=bitxor(li_1,ri_1_p); %li_1与f函数后的ri_1进行按位异或 li=ri_1; %交换位置end程序见demo5.m。2) 解密程序des算法设计巧妙也体现在其解密过程非常简单，结构和加密算法完全一样，只需要将16轮加密所用的密钥完全倒过来。对密钥矩阵16x64的行倒序排列，得到倒过来后的密钥矩阵。其余部分与解密程序保持一致即可。解密时，输入密文和密钥，得到明文。 程序见demo5_inv.m。c) 加密64比特明文，对密文进行解密得到明文，观察是否与初始明文一致加密。这里用matlab 中的gui界面编写了加解密的交互程序。交互程序见desecb.m。在程序demo5.m中输入64比特明文及64比特密钥:m=0123456789abcdef;k=0123456789abcdef;运行:m_hex = 56cc09e7cfdc4cef图2 des_demo gui界面解密：在程序demo5_inv.m中输入64比特密文及64比特密钥:m=56cc09e7cfdc4cef;k=0123456789abcdef;运行: m_hex =0123456789abcdef将密文解密后与初始明文一致。为了证明程序对des算法的正确实现，用密码学习软件cryptool进行了验证。加密结果与本程序一致。图3 cryptool加密结果3.2 des弱密钥验证a) 用选定的弱密钥进行两次加密，观察得到的结果用已知四个弱密钥中的一个ffffffffffffffff，对0123456789abcdef进行加密：m=0123456789abcdef;k=ffffffffffffffff;m_hex =6dce0dc9006556a3再次加密：m=6dce0dc9006556a3;k=ffffffffffffffff;m_hex = 0123456789abcdef可以看出，两次加密后密文和第一次的初始明文一样，相当于是加密后再解密。验证了弱密钥。b) 用选定的非弱密钥进行两次加密，观察得到的结果用已知四个半弱密钥中的一个01fe01fe01fe01fe和对0123456789abcdef进行加密： m=0123456789abcdef; k=01fe01fe01fe01fe;m_hex =8a76c7a4f16d47ed再用与01fe01fe01fe01fe对应的半弱密钥fe01fe01fe01fe01fe01加密：m=8a76c7a4f16d47ed;k=fe01fe01fe01fe01;m_hex =0123456789abcdef可以看出，一对半弱密钥能够互相加解密。3.3 des算法初步应用a) 任意选定一个长度大于8个字符的字符串，设计一种方法对这个字符串进行加密用电码本模式ecb直接对明文分成以64位一组的块，这里用密文分组链接模式cbc来实现。 算法步骤：1) 对任意长（m bit）明文分成n组，每组64bit2) 初始向量iv与第一组明文异或3) 第i-1组密文与第i组明文异或作为des的输入明文4) 迭代n-1次5) 得到n*64bit密文，截取为 m bit算法框图为：图4 des_cbc模式基本结构程序编写主要实现对任意长明文分组，以及对des外围结构的改变。主要代码如下：m=0123456789abcdef0123456789abcd0123456789abcdef0123456789abcd;% 任意长明文k=0123456789abcdef;%密钥iv=11223344aabbccdd; %初始向量%*明文分组a=ceil(length(m)/16); %向上取整 mb=m; for i=1:16*a-length(m) mb=mb 0; endmi=;for j=1:a mi(j,:)=mb(16*j-15):16*j); endm=bitxor(m,iv); %算法核心是先按位异或再输入des程序见mydes.m，demo5_cbc.m。运行，得密文：c_cbc =21bc605d513b38e8d8ef6671d93179070d7e6266c1fa5a5210099c143d26与明文等长(60*4bit)。b) 分析你所设计的这种方法有什么优点和/或缺点cbc算法的优点很明显能有效地避免ecb对明文统计特征的泄漏，因为同一明文块输入des中的实际明文是不一样的。cbc算法的缺点也是很明显的，由于其算法结构的限制，cbc不能实现并行运算，且误差传递效应比ecb差，一个密文块损坏，会引起两个明文块损坏。3.4 des弥散特性分析a) 选择任意64比特明文m，选择任意56比特密钥k进行加密，并输出每一轮加密的64比特序列选定明文和密钥，依次输出每一轮加密输出的密文：明文：m=0123456789abcdef;密钥：k=0123456789abcdef;每一轮的加密结果如下表所示：轮数密文轮数密文1f0aaf0aa5e1cec6325e1cec6382e13c49382e13c49499542f94499542f90dd64afb50dd64afb7036043b67036043bf1470bc27f1470bc2394c8f458394c8f45348dc7469348dc746f37100c610f37100c63c22a9cb113c22a9cb0a37c369120a37c3695c725ffb135c725ffbf4748ad614f4748ad6cc6c340e15cc6c340eba88f69916ba88f699fb21fb9c 表1 16轮加密结果b) 随机改变m中的一个比特，用上述密钥k进行加密，并输出每一轮加密的64比特序列，与上一步的结果进行比较，你发现了什么？将明文：m=0123456789abcdef中第四位二进制改为1， 则明文变为：m=1123456789abcdef， 用相同的密钥加密，用红字标注出前6轮密文中与之前对应相等的位数，结果为：轮数密文轮数密文1f0aaf0aa5e1dec6325e1dec63a3e52c893a3e52c89ece9d0e24ece9d0e269dd75c5569dd75c5abc7850d6abc7850d0dc7cb6170dc7cb61a75af6488a75af64855f4cff9955f4cff92689ab42102689ab4249f546141149f546142dfdc287122dfdc287a924514013a924514098ab62f91498ab62f9d4c4149d15d4c4149dc833086f16c833086faae41685 表3 明文改变1bit后的16轮加密结果首先定性的可以明显看出:第一轮密文有1bit不相等: 即第二轮密文有7bit 不相等: 即 即 即 即 即 即为了说明弥散特性，对改变后的16轮密文与之前产生密文进行定量分析（相等位数检查程序见bitcheck.m）:轮数相等位数轮数相等位数1632573424315306347358329311022112412301325143415311625 表4 明文改变1bit前后的16轮加密结果中相等比特位数由上表可以看出，随着轮数增加，初始明文1bit的改变对于密文的弥散效应越好。理论上，任意两个64位二进制序列相等时在相等位数为32时概率最大（每一位取0，1是等概率的）， 因此在第四轮之后可认为弥散效应已经使得两组