c语言实现密码学算法应用

一 实验目的

   1、掌握对称密钥密码体制的基本概念；

   2、掌握对称密钥密码体制DES加密/解密的工作原理；

   3、掌握非对称密码算法RSA加密/解密的基本原；

   4、 通过用DES和RSA算法对实际的数据进行加密/解密运算深刻理解加密算法原理。

二 实验内容

   根据给的“密码学算法应用”工具完成DES、RSA密码算法，并利给定的基于MFC的加密算法程序在Visual C++环境下完成加密/解密程序的调试与运行。

三 实验环境

   1、操作系统：Windows9x/NT/2000/XP/Win7/Win8/Win10

   2、编程软件：Visual C++6.0或Visual Studio

四 实验原理

   （一）DES加密算法

1. DES算法工作的基本原理:DES是基于Feistel密码结构的分组密码，其

   入口参数有三个:key、data、mode。 其中，key为加密/解密时使用的

   密钥；data为加密/解密的数据；mode为其工作模式：当模式为加密模

   式时，明文按照64位进行分组，形成明文分组，此时key用于对数据

   加密；当模式为解密模式时，key用于对64位的密文分组进行解密，以

   恢复明文。

2、DES算法共进行16轮迭代操作，每轮中都使用相同的轮函数F，如下：

   F(Ri-1,Ki)=p_box(S_boxes(Expand(Ri-1) Å Ki))

(1)、密钥生成

① 生成种子密钥K 

   使用密钥流生成器生成64位(8个字节)的种子密钥K，每个字节的第8位作为奇偶校验位，不参与实际运算中子密钥的生成过程。

② 生成每一轮迭代中使用的子密钥ki。

   (1) 根据PC-1置换进行种子密钥K的变换，舍弃64位种子密钥K中的8个奇偶校验位，得到56位的密钥。

   (2) 将变换后的密钥分为左右两部分各28位，分别称为C0和D0，即PC-1(K)= C0D0。

   (3) 生成16个子密钥ki，1≤i≤16。

(i) 将Ci、Di循环左移1位或2位，根据i值由“循环左移表”决定循环左移的位数，即计算Ci=LSi(Ci-1)和Di=LSi(Di-1)，其中，LS表示循环左移。

(ii) 将循环左移后的Ci和Di作为一个56位的整体按置换表PC-2进行变换，得到本轮所使用的48位子密钥ki,即ki=PC-2(CiDi)(1≤i≤16)。

(1)、处理64位数据

1）取得64位明文分组数据m，如果数据长度不足64位，应该将其扩展为64

   位（例如补零） 。

1. 将64位明文分组数据m按初始置换表IP进行变换，获得64位的m0，并将

   m0分为左右两部分，前面32位记为L0，后面32位记为R0，即 m0=IP(m)=L0R0 。

1. 用16个子密钥ki(1≤i≤16)加密数据。所用变换公式为：

         F(Ri-1,Ki)=p_box(S_boxes(Expand(Ri-1) Å Ki)) 

   (1) 将32位的Ri-1按扩展置换E扩展成48位；

   (2) 异或Ri-1和ki；

   (3) 将异或后的结果分为8个6位长的部分，第1位到第6位称为S[1]，第7位到第12位称为S[2]，依此类推，第43位到第48位称为S[8]； 

   (4) 按S盒的变换原理变换所有的S[j]，1≤j≤8。每一个S盒都是将输入的6位数据经过处理后转换成4位数据输出。

   (5) 将S[1]到S[8]的输出组合成32位数据，按P置换进行变换，变换的结果就是轮函数F。

   (6) 异或轮函数F和Li-1,结果就是Ri，即Ri=Li-1 Å F(Ri-1,Ki)

   (7) Li=Ri-1 

   (8) 循环执行轮函数F，直到K16被变换完成。

1. 第16轮迭代结束后左、右部分各是L16和R16，将左右部分交换，作为64位的预输出，即L17=R16,R17=L16。
2. 将变换后的R16L16按逆初始置换IP-1进行变换得到最后的结果，即为密文，即

   c=IP-1(R

（二）RSA加密算法

RSA算法基于数论构造，是迄今理论上最为完善的非对称密钥密码算法，它的安全性是建立在“大整数的质因子分解和素性检测”这个数论难题的基础上，即将两个大素数相乘在计算上容易实现，而将该乘积分解为两个大素数因子的计算量则相当大。

1. RSA的密钥产生过程如下：

①选择两个保密的大素数p和q；

②计算n=pq（公开）；φ(n)=(p-1)(q-1)（保密）；

③随机选取一个整数e，满足1＜e＜φ(n)且gcd(φ(n),e)=1（公开）；

④计算d，满足edº1(mod φ(n))（保密）；

说明：d是e在模φ(n)下的乘法逆元。因为e与φ(n)互素，所以其乘法逆元一定存在。

⑤得到一对密钥：公钥{e,n}，私钥{p,q,d}。

1. RSA的加密过程如下：

①明文数字化，即将明文转换成数字串。

②将明文比特串分组，使得每个分组对应的十进制数小于n，即分组长度小于等于log2n+1。

③设第i个明文分组对应的数字为mi，对mi作加密运算。即将消息mi以加密指数e做乘方，并取模n，即：ci=mie mod n   （0≤mi<n）

④最后得到的密文C由所有长度相同的密文分组ci组成。

1. RSA的解密过程如下：

①将密文转换成数字串。

②将以上数字串分段，使得每一段数字均小于n。

③设第i个密文分组对应的数字为ci，对ci作解密运算。即将明文分组ci以解密指数d做乘方，并取模n，即：mi=cid mod n

④最后得到的明文M由所有长度相同的明文分组mi组成。

五 实验步骤

(1) 本实验为验证和设计型实验，首先根据给定的实验工具完成DES和RSA的加密/解密实验；然后按照要求，学生自己根据实验原理，自行设计实验（参考程序），利用Visual C++6.0编程语言，实现DES和RSA对一个文件进行加密和解密。

(2) 完成高级数据加密标准AES的设计实验。

代码如下：

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
string k;
struct node
{
    int c[80];
    int d[80];
    int cd[80];
    int k_n[80];
    int l[80];
    int r[80];
    node()
    {
        memset(c,0,sizeof(c));
        memset(d,0,sizeof(d));
        memset(k_n,0,sizeof(k_n));
        memset(l,0,sizeof(l));
        memset(r,0,sizeof(r));
    }
};
 
char mikey[18]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','A','B','C','D','E','F'};
 
//IP初始置换表
int pc_ip[80]= {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,
                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};
 
//置换选择PC-1
int pc_1[60]= {0,57,49,41,33,25,17,
               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};
 
//置换选择PC-2
int pc_2[60]= {0,14,17,11,24,1,5,
               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};
 
//E盒扩展变换
int pc_e[80]= {0,32,1,2,3,4,5,
               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};
 
//P盒置换表
int pc_p[80]= {0,16,7,20,21,
               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};
 
//逆初始置换表
int pc_ip_1[80]= {0,40,8,48,16,56,24,64,32,
                  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};
 
//S盒
int s_box[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,
    13,8,10,1,3,15,4,2,11,6,7,12,10,5,14,9,
 
    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};
 
///F函数实现E盒扩展
int f(int r[80],int kn[80])
{
    int x=0;
    int e[80]= {0};
    int h=0,l=0,idx=0;
    //E盒扩展得到e(Ri);
    for(int i=1; i<=48; i++)
        e[i]=r[pc_e[i]];
    //异或运算得到k^(Ri);
    for(int i=1; i<=48; i++)
        r[i]=e[i]^kn[i];
    //S盒压缩将48位分为8组，每组6位，得到S(k^(Ri));
    for(int i=1; i<=48; i+=6)
    {
        h=r[i]*2+r[i+5]*1;
        l=r[i+1]*8+r[i+2]*4+r[i+3]*2+r[i+4]*1;
        e[++idx]=(s_box[x][h][l]>>3)&1;
        e[++idx]=(s_box[x][h][l]>>2)&1;
        e[++idx]=(s_box[x][h][l]>>1)&1;
        e[++idx]=s_box[x][h][l]&1;
        x++;
    }
    //P盒置换
    for(int i=1; i<=32; i++)
        r[i]=e[pc_p[i]];
}
 
int jiami(string m,int choice)
{
/*
转二进制
功能：将16个16进制转换成16个二进制并存到two数组
      k秘钥转换成二进制并存到two_k数组
*/
    int two[66]= {0},num,idx=0,two_k[66]= {0},two_kup[66]= {0};
    for(int i=0; i<16; i++) //将16个16进制转换成16个二进制:变成64位
    {
        if(m[i]>='0'&& m[i]<='9')
            num=m[i]-'0';
        else num=m[i]-'A'+10;
        two[++idx]=(num>>3)&1;
        two[++idx]=(num>>2)&1;
        two[++idx]=(num>>1)&1;
        two[++idx]=num&1;
    }
    idx=0;
    for(int i=0; i<16; i++) //k秘钥转2进制
    {
        if(k[i]>='0'&&k[i]<='9')
            num=k[i]-'0';
        else num=k[i]-'A'+10;
        two_k[++idx]=(num>>3)&1;
        two_k[++idx]=(num>>2)&1;
        two_k[++idx]=(num>>1)&1;
        two_k[++idx]=num&1;
    }
 
 
///密钥加密///
/*
求16个子密钥
功能：由密钥生成16轮加密所用的子密钥
*/
    ///表4-5用pc_1得到k+(将密钥用pc_1置换)
    for(int i=1; i<=56; i++)
        two_kup[i]=two_k[pc_1[i]];
    //左右分组
    node c_and_d[20];
    for(int i=1; i<=28; i++) //得到c[0];
        c_and_d[0].c[i]=two_kup[i];
    for(int i=1,j=29; j<=56; i++,j++) //得到d[0];
        c_and_d[0].d[i]=two_kup[j];
 
    ///16轮生成每轮子密钥
    for(int i=1; i<=16; i++) //得到c[1]-c[15],d[1]-d[15],CnDn;
    {
        ///表4-6的把移一位和移两位的分开
 
        //如果为第1、2、9、16轮，则d循环左移1位
        if(i==1||i==2||i==9||i==16)
        {
            for(int j=1; j<=27; j++)
                c_and_d[i].c[j]=c_and_d[i-1].c[j+1];
            c_and_d[i].c[28]=c_and_d[i-1].c[1];
            for(int j=1; j<=27; j++)
                c_and_d[i].d[j]=c_and_d[i-1].d[j+1];
            c_and_d[i].d[28]=c_and_d[i-1].d[1];
        }
        //如果是其他轮次，则d循环左移2位
        else
        {
            for(int j=1; j<=26; j++)
                c_and_d[i].c[j]=c_and_d[i-1].c[j+2];
            c_and_d[i].c[27]=c_and_d[i-1].c[1];
            c_and_d[i].c[28]=c_and_d[i-1].c[2];
            for(int j=1; j<=26; j++)
                c_and_d[i].d[j]=c_and_d[i-1].d[j+2];
            c_and_d[i].d[27]=c_and_d[i-1].d[1];
            c_and_d[i].d[28]=c_and_d[i-1].d[2];
        }
        for(int j=1; j<=28; j++)
            c_and_d[i].cd[j]=c_and_d[i].c[j];
        for(int j=29,t=1; t<=28; j++,t++)
            c_and_d[i].cd[j]=c_and_d[i].d[t];
    }
 
    ///PC_2置换后打印16轮子密钥
    node k_16[20];
    for(int i=1; i<=16; i++) //得到k1-kn;
        for(int j=1; j<=48; j++)
            k_16[i].k_n[j]=c_and_d[i].cd[pc_2[j]];
 
 
///明文加密 71页图4-8明文加密过程///
/*
DES算法主函数
功能：实现DES算法的16轮加密
*/
    int ip[80]= {0};
    //初始变换ip
    for(int i=1; i<=64; i++)
        ip[i]=two[pc_ip[i]];
 
    //初始化得到 l[0],r[0]
    node l_r[20];
    for(int i=1; i<=32; i++) //得到l;
        l_r[0].l[i]=ip[i];
    for(int i=1,j=33; j<=64; i++,j++) //得到r;
        l_r[0].r[i]=ip[j];
 
    ///choice=0时是加密操作，choice=1时是解密操作
    //进行16轮运算
    if(choice==0)
    {
        for(int i=1; i<=16; i++) //计算L1-L16，R1-R16;
        {
            for(int j=1; j<=32; j++)
                //左右的左等于左右的右
                l_r[i].l[j]=l_r[i-1].r[j];
            ///F函数包含E盒扩展、异或、S盒压缩、P盒置换
            f(l_r[i-1].r,k_16[i].k_n);
            ///左右合在一起，两者进行最终按位异或得到r[i]
            for(int j=1; j<=32; j++)
                l_r[i].r[j]=l_r[i-1].l[j]^l_r[i-1].r[j];
        }
    }
    else
    {
        for(int i=1; i<=16; i++) //计算L1-L16，R1-R16;
        {
            for(int j=1; j<=32; j++)
                l_r[i].l[j]=l_r[i-1].r[j];
            f(l_r[i-1].r,k_16[16-i+1].k_n);
            //^异或运算符
            for(int j=1; j<=32; j++)
                l_r[i].r[j]=l_r[i-1].l[j]^l_r[i-1].r[j];
        }
    }
 
    int R16L16[80]= {0}; //得到R16L16;
    //F函数过后左右合在一起
    for(int i=1; i<=32; i++)
        R16L16[i]=l_r[16].r[i];
    for(int i=33,j=1; j<=32; j++,i++)
        R16L16[i]=l_r[16].l[j];
 
    int ans[80]= {0}; //得到最终变换;
    //进行ip逆置换
    for(int i=1; i<=64; i++)
        ans[i]=R16L16[pc_ip_1[i]];
 
    ///choice=0时是加密操作，choice=1时是解密操作
    int tem_num;
    if(choice==0)
    {
        //字节转换成字符输出密文
        for(int i=1; i<=64; i+=4)
        {
            tem_num=ans[i]*8+ans[i+1]*4+ans[i+2]*2+ans[i+3]*1;
            if(tem_num>=10)
                printf("%c",(tem_num-10)+'A');
            else printf("%c",tem_num+'0');
        }
    }
    else
    {
        int change[1000];
        int pos=0;
        for(int i=1; i<=64; i+=4)
        {
            tem_num=ans[i]*8+ans[i+1]*4+ans[i+2]*2+ans[i+3]*1;
            change[++pos]=tem_num;
        }
        int jieans=0;
        for(int i=1; i<=16; i+=2)
        {
            jieans+=change[i];
            jieans*=16;
            jieans+=change[i+1];
            //printf("%d %d\n",change[i],change[i+1]);
            printf("%c",jieans);
            jieans=0;
        }
    }
}
 
int main()
{
    while(1)
    {
        cout<<"***********************"<<endl;
        cout<<"******加密请输入1*******"<<endl;
        cout<<"******解密请输入2*******"<<endl;
        cout<<"******退出请输入3*******"<<endl;
        cout<<"***********************"<<endl;
        int choice;
        cin>>choice;
        if(choice==1)
        {
            k="";
            getchar();
            srand((int)time(0));
            cout<<"******请输入明文:******"<<endl;
            char say[1000];
            gets(say);
            cout<<"*******正在产生随机密钥:******"<<endl;
            int num;
            for(int i=1;i<=16;i++)
                num=rand()%16,k+=mikey[num];
            cout<<"生成成功,密钥为:"<<k<<endl;
            printf("密文为:");
            int len=strlen(say),idx=0;
            char tensix[2000],tem[1000],now=0;
            for(int i=0; i<len; i++) //文本转16进制
            {
                while(say[i])
                {
                    if(say[i]%16>=10) tem[++idx]=((say[i]%16)-10)+'A';
                    else tem[++idx]=(say[i]%16)+'0';
                    say[i]/=16;
                }
                //倒序存入
                for(int j=idx; j>=1; j--)
                    tensix[++now]=tem[j];
                idx=0;
            }
            while(now%16)//不够16位补0；
            {
                ++now;
                tensix[now]='0';
            }
            int sum=0;
            string m="";
            for(int i=1; i<=now; i++) //每64位加密一次；
            {
                sum++;
                m+=tensix[i];
                //cout<<m<<endl;
                if(sum==16)
                {
                    sum=0;
                    jiami(m,0);
                    m="";
                }
            }
            printf("\n");
        }
        else if(choice==2)
        {
            getchar();
            cout<<"******请输入密文:******"<<endl;
            char tensix[1000];
            gets(tensix);
            cout<<"******请输入秘钥:******"<<endl;
            cin>>k;
            printf("明文为:");
            int len=strlen(tensix);
            int sum=0;
            string m="";
            for(int i=0; i<len; i++) //每64位加密一次；
            {
                sum++;
                m+=tensix[i];
                if(sum==16)
                {
                    sum=0;
                    jiami(m,1);
                    m="";
                }
            }
            printf("\n");
        }
        else
            return 0;
    }
    return 0;
}

结果：