王维--DES的JAVA实现.doc

基于DES算法的数据文件加密/解密的java编程实现姓名：王维 学号：10497211030011 课题背景和意义据记载，公元前400年，古希腊人发明了置换密码。1881年世界上的第一个电话保密专利出现。在第二次世界大战期间，德国军方启用“恩尼格玛”密 码机，密码学在战争中起着非常重要的作用。随着信息化和数字化社会的发展，人们对信息安全和保密的重要性认识不断提高，于是在1997年，美国国家标准局公布实施了“美国数据加密标准 （DES）”，民间力量开始全面介入密码学的研究和应用中，采用的加密算法有DES、RSA、SHA等。随着对加密强度需求的不断提高，近期又出现了AES、ECC等。我国也相应提出了自己国家的ECC、SCB2、SCH等加密算法。 使用密码学可以达到以下目的：1.保密性：防止用户的标识或数据被读取。2.数据完整性：防止数据被更改。3.身份验证：确保数据发自特定的一方。随着计算机和通信网络的广泛应用，信息的安全性已经受到人们的普遍重视。信息安全已不仅仅局限于政治，军事以及外交领域，而且现在也与人们的日常生活息息相关。现在，密码学理论和技术已得到了迅速的发展，它是信息科学和技术中的一个重要研究领域。在近代密码学上值得一提的大事有两件：一是1977年美国国家标准局正式公布实施了美国的数据加密标准（DES），公开它的加密算法，并批准用于非机密单位及商业上的保密通信。密码学的神秘面纱从此被揭开。二是Diffie和Hellman联合写的一篇文章“密码学的新方向”，提出了适应网络上保密通信的公钥密码思想，拉开了公钥密码研究的序幕。DES（Data Encryption Standard）是IBM公司于上世纪1977年提出的一种数据加密算法。在过去近三十年的应用中，还无法将这种加密算法完全、彻底地破解掉。而且这种算法的加解密过程非常快，至今仍被广泛应用，被公认为安全的。虽然近年来由于硬件技术的飞速发展，破解DES已经不是一件难事，但学者们似乎不甘心让这样一个优秀的加密算法从此废弃不用，于是在DES的基础上有开发了双重DES（DoubleDES,DDES）和三重DES（Triple DES,TDES）。在国内，随着三金工程尤其是金卡工程的启动，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，以此来实现关键数据的保密，如信用卡持卡人的PIN 码加密传输，IC 卡与POS 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加密体制是ISO颁布的数据加密标准。因此研究DES还是有非常重要的意义。1.1 课题目标和意义题目：利用DES的加密算法实现针对二进制数据（文件）的加/解密软件工具。采用java语言，软件版本：jdk1.6.0, JCreator Pro v3.5.013 汉化版，平台:Windows XP意义：了解DES加密算法及原理，掌握其基本应用，利用java编程实现。2 DES算法原理DES算法由加密、子密钥和解密的生成三部分组成。现将DES算法介绍如下。1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=m1m2m64 (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：图2-1：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（初始置换）后，得到的比特串的下标列表如下：表2-1：得到的比特串的下标列表IP58504234261810260524436282012462544638302214664564840322416857494133251791595143352719113615345372921135635547393123157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（终结置换）后所得比特串的下标列表如下：表2-2：置换后所得比特串的下标列表IP-140848165624643239747155523633138646145422623037545135321612936444125220602835343115119592734242105018582633141949175725经过置换IP-1后生成的比特串就是密文e。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2-2所示：图2-2：将32比特的输入再转化为32比特的输出 f变换说明：输入Ri-1(32比特)经过变换E（扩展置换E）后，膨胀为48比特。膨胀后的比特串的下标列表如下：表2-3：膨胀后的比特串的下标列表E:3212345456789891011121312131415161716171819202120212223242524252627282928293031321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（压缩置换P）后，其下标列表如下：表2-4：压缩置换P后的下标列表P:1672021291228171152326518311028241432273919133062211425经过P变换后输出的比特串才是32比特的f（Ri-1,Ki）.S盒的变换过程: 任取一S盒。见图2-3：图2-3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2-4所示）图2-4以上是DES算法加密原理加密过程实现(JAVA主要源代码）l 输入64位明文串，经过IP置换：for (i = 0; i 64; i+) Mi = timeDataIPi - 1;l 迭代(由于各次迭代的方法相同只是输入输出不同，因此以任意一次为例)：首先进行S盒的运算。输入32位比特串, 经过E变换，由32位变为48位：for (i = 0; i 48; i+) REi = R0Ei - 1;与keyarraytimesi按位作不进位加法运：REi = REi + keyarraytimesi; if (REi = 2) REi = 0; 48位分成8组： for(i=0;i8;i+) for(j=0;j6;j+) Sij=RE(i*6)+j; 经过S盒，得到8个数：sBoxDatai = S_Boxi(Si0 1) + Si5(Si1 3)+ (Si2 2) + (Si3 1) + Si4;将8个数变换输出二进制：for (j = 0; j 4; j+) sValue(i * 4) + 3) - j = sBoxDatai % 2;sBoxDatai = sBoxDatai / 2;经过P变换：RPi = sValuePi - 1;至此，S盒运算完成左右交换：L1i = R0i;R1i = L0i + RPi;Ri为Li-1与f(R,K)进行不进位二进制加法运算结果：R1i = L0i + RPi;if (R1i = 2) R1i = 0;各次迭代类似，可以依此类推。2.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2-5：图2-5子密钥生成过程具体解释如下：64比特的密钥K，经过PC-1（置换A）后，生成56比特的串。其下标如表所示：表2-5：生成56比特的串PC-157494133251791585042342618102595143352719113605244366355473931231576254463830221466153453729211352820124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（置换B）变换后即生成48比特的K1。K1的下标列表为：表2-6：K1的下标列表PC-21417112415328156211023191242681672720132415231374755304051453348444939563453464250362932C1、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：表2-7：生成子密钥迭代顺序12345678910111213141516左移位数1122222212222221子密钥的生成（JAVA源代码）： 输入64位K，经过PC-1变为56位：for (i = 0; i 56; i+) K0i = keyPC_1i - 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，仅以生成任意一次为例）： if (offset = 1) for (i = 0; i 27; i+) / 循环左移一位 c1i = c0i + 1; d1i = d0i + 1; c127 = c00; d127 = d00; else if (offset = 2) for (i = 0; i 26; i+) / 循环左移两位 c1i = c0i + 2; d1i = d0i + 2; c126 = c00; d126 = d00; c127 = c01; d127 = d01; for (i = 0; i 28; i+) ki = c1i; /生成子密钥ki ki + 28 = d1i; 注意：生成的子密钥不同，所需循环左移的位数也不同。在编程中，生成不同的子密钥应以上述offset表为准。3.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，K2K16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：图2-6加密后的结果图2-7：加密后的结果L=R15, R=L15f(R15,K16)f(R15,K16)=L15同理R15=L14f(R14,K15), L15=R14。同理类推：得 L=R0, R=L0。其程序源代码与加密相同。3程序设计步骤3.1 程序设计步骤3.1.1程序开发平台及工具软件版本：jdk1.6.0, JCreator Pro v3.5.013 汉化版平台:Windows XP3.1.2源代码：public class DesUtil byte bytekey; public DesUtil(String strKey) this.bytekey = strKey.getBytes(); / 声明常量字节数组 private static final int 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 ; / 64 private static final int 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 ; / 64 private static final int 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 ; / 56 private static final int 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 ; / 48 private static final int 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, 1 ; / 48 private static final int 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 ; / 32 private static final int S_Box = /S-盒 / S_Box1 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 , / S_Box2 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 , / S_Box3 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 , / S_Box4 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 , / S_Box5 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 , / S_Box6 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 , / S_Box7 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 , / S_Box8 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 ; private static final int LeftMove = 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2,2, 2, 2, 1 ; / 左移位置列表 private byte UnitDes(byte des_key, byte des_data, int flag) / 检测输入参数格式是否正确，错误直接返回空值（null） if (des_key.length != 8) | (des_data.length != 8)| (flag != 1) & (flag != 0) throw new RuntimeException(Data Format Error !); int flags = flag;/ 二进制加密密钥 int keydata = new int64;/ 二进制加密数据 int encryptdata = new int64; / 加密操作完成后的字节数组 byte EncryptCode = new byte8;/ 密钥初试化成二维数组 int KeyArray = new int1648;/ 将密钥字节数组转换成二进制字节数组 keydata = ReadDataToBirnaryIntArray(des_key);/ 将加密数据字节数组转换成二进制字节数组 encryptdata = ReadDataToBirnaryIntArray(des_data);/ 初试化密钥为二维密钥数组 KeyInitialize(keydata, KeyArray); / 执行加密解密操作 EncryptCode = Encrypt(encryptdata, flags, KeyArray); return EncryptCode; / 初试化密钥数组 private void KeyInitialize(int key, int keyarray) int i; int j; int K0 = new int56;/ 特别注意：xxxIPi-1等类似变换 for (i = 0; i 56; i+) K0i = keyPC_1i - 1; / 密钥进行PC-1变换 for (i = 0; i 16; i+) LeftBitMove(K0, LeftMovei); / 特别注意：xxxIPi-1等类似变换 for (j = 0; j 48; j+) keyarrayij = K0PC_2j - 1; / 生成子密钥keyarrayij / 执行加密解密操作 private byte Encrypt(int timeData, int flag, int keyarray) int i; byte encrypt = new byte8; int flags = flag; int M = new int64; int MIP_1 = new int64;/ 特别注意：xxxIPi-1等类似变换 for (i = 0; i 64; i+) Mi = timeDataIPi - 1; / 明文IP变换 if (flags = 1) / 加密 for (i = 0; i -1; i-) LoopF(M, i, flags, keyarray); for (i = 0; i 64; i+) MIP_1i = MIP_1i - 1; / 进行IP-1运算 GetEncryptResultOfByteArray(MIP_1, encrypt);/ 返回加密数据 return encrypt; private int ReadDataToBirnaryIntArray(byte intdata) int i; int j; / 将数据转换为二进制数，存储到数组 int IntDa = new int8; for (i = 0; i 8; i+) IntDai = intdatai; if (IntDai 0) IntDai += 256; IntDai %= 256; int IntVa = new int64; for (i = 0; i 8; i+) for (j = 0; j 8; j+) IntVa(i * 8) + 7) - j = IntDai % 2; IntDai = IntDai / 2; return IntVa; private void LeftBitMove(int k, int offset) int i; / 循环移位操作函数 int c0 = new int28; int d0 = new int28; int c1 = new int28; int d1 = new int28; for (i = 0; i 28; i+) c0i = ki; d0i = ki + 28; if (offset = 1) for (i = 0; i 27; i+) / 循环左移一位 c1i = c0i + 1; d1i = d0i + 1; c127 = c00; d127 = d00; else if (offset = 2) for (i = 0; i 26; i+) / 循环左移两位 c1i = c0i + 2; d1i = d0i + 2; c126 = c00; d126 = d00; c127 = c01; d127 = d01; for (i = 0; i 28; i+) ki = c1i; ki + 28 = d1i; private void LoopF(int M, int times, int flag, int keyarray) int i; int j; int L0 = new int32; int R0 = new int32; int L1 = new int32; int R1 = new int32; int RE = new int48; int S = new int86; int sBoxData = new int8; int sValue = new int32; int RP = new int32; for (i = 0; i 32; i+) L0i = Mi; / 明文左侧的初始化 R0i = Mi + 32; / 明文右侧的初始化 for (i = 0; i 48; i+) REi = R0Ei - 1; / 经过E变换扩充，由32位变为48位 REi = REi + keyarraytimesi; / 与KeyArraytimesi按位作不进位加法运算 if (REi = 2) REi = 0; for (i = 0; i 8; i+) / 48位分成8组 for (j = 0; j 6; j+) Sij = RE(i * 6) + j; / 下面经过S盒，得到8个数 sBoxDatai = S_Boxi(Si0 1) + Si5(Si1 3) + (Si2 2) + (Si3 1) + Si4; / 8个数变换输出二进制 for (j = 0; j 4; j+) sValue(i * 4) + 3) - j = sBoxDatai % 2; sBoxDatai = sBoxDatai / 2; for (i = 0; i 32; i+) RPi = sValuePi - 1; / 经过P变换 L1i = R0i; / 右边移到左边 R1i = L0i + RPi; if (R1i = 2) R1i = 0; / 重新合成M，返回数组M / 最后一次变换时，左右不进行互换。此处采用两次变换实现不变 if (flag = 0) & (times = 0) | (flag = 1) & (times = 15) Mi = R1i; Mi + 32 = L1i; else Mi = L1i; Mi + 32 = R1i; private void GetEncryptResultOfByteArray(int data, byte value) int i; int j; / 将存储64位二进制数据的数组中的数据转换为八个整数（byte） for (i = 0; i 8; i+) for (j = 0; j 8; j+) valuei += (data(i 3) + j (7 - j); for (i = 0; i 128) valuei -= 255; private byte ByteDataFormat(byte data, int flag) int len = data.length; int padlen = 8 - (len % 8); int newlen = len + padlen; byte newdata = new bytenewlen; System.arraycopy(data, 0, newdata, 0, len); for (int i = len; i newl