实验一：信息加密技术.doc

实验一：信息加密技术 一、实验目的 通过使用 DES 算法对实际的数据进行加密和解密来了解密码体制的原理。 1）运行所下发软件，用自己姓名拼音的前八个字母作为明文，学号后八位作为密文，观察实验结果。 (2)找出加密、解密、密钥生成的核心代码。 （3）调试程序，观察：L[i+1]与R[i]的值有何关系，并解释结果。 （4）调试程序，观察：C[i+1]与C[i]的值有何关系，并解释结果。 （5）修改程序，使得密文以ASCII码的形式输出。 三、相关知识 信息加密根据采用的密钥类型可以划分为对称密码算法和非对称密码算法。对称密码算法是指加密系统的加密密钥和解密密钥相同，或者虽然不同，但是可以从其中任意一个推导出另一个，更形象的说就是用同一把钥匙开锁和解锁。在对称密码算法的发展历史中曾出现过多种优秀的算法，包括 DES、3DES、AES 等。下面我们以 DES 算法为例介绍对称密码算法的实现机制。 DES 算法是美国 IBM 公司在 20 世纪 70 年代提出，并被美国政府、美国国家标准局和美国国家标准协会采纳和承认的一种标准加密算法。它属于分组加密算法，即明文加密和密文解密过程中，信息都是按照固定长度分组后进行处理的。混淆和扩散是它采用的两个最重要的安全特性，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，增加密码安全。 DES 将明文分成 64 比特位大小的众多数据块，即分组长度为 64 位。同时用 56 位密钥对 64 位明文信息加密，最终形成 64 位的密文。如果明文长度不足 64 位，则将其扩展为 64位（例如补零等方法）。具体加密过程首先是将输入的数据进行初始换位（IP），即将明文 M中数据的排列顺序按一定的规则重新排列，生成新的数据序列，以打乱原来的次序。然后将变换后的数据平分成左右两部分，左边记为 L0，右边记为 R0，然后对 R0施行在子密钥（由加密密钥产生）控制下的变换 f，结果记为 f(R0 ,K1)，再与 L0做逐位异或运算，其结果记为R1，R0 则作为下一轮的 L1。如此循环 16 轮，最后得到 L16、R16，再对 L16、R16 施行逆初始置换 IP-1，即可得到加密数据。解密过程与此类似，不同之处仅在于子密钥的使用顺序正好相反。 DES 全部 16 轮的加密过程如图 1-1 所示。 图 1-1 DES 加密/解密流程 DES 的加密算法包括 3 个基本函数： 1． 初始换位（IP） 它的作用是把输入的 64 位数据块的排列顺序打乱，每位数据按照下面换位规则重新组合。即将第 58 位换到第 1 位，第 50 位换到第 2 位，…,依次类推。重组后的 64 位输出分为L0、R0(左、右)两部分，每部分分别为 32 位。 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 R0 和 K1 经过 f（R0，K1）变换后的输出结果，再和 L0 进行异或运算，输出结果做为R1。R0 则赋给 L1。L1 和 R1 同样再做类似运算生成 L2 和 R2,…，经过 16 次运算后生成 L16和 R16。 2．f 函数 f 函数是多个置换函数和替代函数的组合函数，它将 32 位比特的输入变换为 32 位的输出，如图 1-2。Ri经过扩展运算 E 变换后扩展为 48 比特的 E(Ri)，与 Ki+1进行异或运算后输出的结果分成 8 组，每组 6 比特的并联 B，B=B1B2B3B4B5B6B7B8，再经过 8 个 S 盒的选择压缩运算转换为4比特，个4比特合并为32比特后再经过P变换输出为32比特的f(Ri-1,Ki)。 图 1-2 DES 算法中 f 函数的处理流程 3．逆初始置换函数 IP-1 它将 L16 和 R16 作为输入，进行逆初始换位得到密文输出。逆初始换位是初始换位的逆运算，换位规则如下表所示： 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, 1