前言

為了幫助同學(xué)們完成痛苦的實驗課程設(shè)計，本作者將其作出的實驗結(jié)果及代碼貼至CSDN中，供同學(xué)們學(xué)習(xí)參考。如有不足或描述不完善之處，敬請各位指出，歡迎各位的斧正！

一、實驗?zāi)康?/h2>

1、掌握DES算法的工作原理。
2、熟悉分組加密算法的4種工作模式（OFB模式可不做）。
3、了解DES的雪崩效應(yīng)。

二、實驗環(huán)境

Microsoft Visual Studio 2019

三、實驗內(nèi)容及步驟

(1)編程實現(xiàn)DES算法。
(2)改變1位明文觀察輸出DES算法的16輪輸出，幾輪后密文變化達(dá)到32位以上。
(3)改變1位密鑰觀察輸出DES算法的16輪輸出，幾輪后密文變化達(dá)到32位以上。
(4)在電碼本模式和分組鏈接模式中，在最少64個分組的明文中，觀察當(dāng)一個密文分組錯誤時，還原的明文有幾個分組錯誤。
(5)在密碼反饋模式和輸出反饋模式中，在最少64個分組的明文中，觀察當(dāng)一個密文分組錯誤時，還原的明文有幾個分組錯誤。**

四、實驗要求

(1)編寫一個DES算法，*輸出其每一輪的加密結(jié)果并顯示在屏幕上。
(2)編程實現(xiàn)對文件的加密，加密模式：電碼本、分組鏈接模式；
(3)*額外要求：編程實現(xiàn)密碼反饋模式和輸出反饋模式。
說明：
(1)DES算法可以自編，也可以網(wǎng)上下載現(xiàn)成算法。
(2)四種工作模式的程序可以自編，也可以利用OpenSSL、VS的framework、cryptopp加密包編程。
(3)基本DES算法要想輸出每輪的加密結(jié)果，請參照C程序；使用C#編程可以實現(xiàn)電碼本、分組鏈接、密碼反饋模式。

五、實驗程序清單

一、編寫一個DES算法，輸出其每一輪的加密結(jié)果并顯示在屏幕上。

修改一位明文，第四輪即產(chǎn)生明顯不同的加密結(jié)果

修改一位密文，第四輪即產(chǎn)生明顯不同的加密結(jié)果

二、對文件的加密

明文文件：
密文文件：
解密文件：

通過修改文件后綴名得到原圖

六、實驗結(jié)果

(1)程序設(shè)計的思想，及程序關(guān)鍵原代碼。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.ComponentModel;
using System.Data;
using System.Drawing;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Windows.Forms;
using System.Security.Cryptography;
using System.IO;
namespace SecTest
{
    public partial class DesForm : Form
    {
        public string str1;
        public string MFileNamestr1;
        public string CFileNamestr;
        public string MFileNamestr2;

        public static string ToHexString(byte[] bytes)       // 0xae00cf => "AE00CF "
        {
            string hexString = string.Empty;
            if (bytes != null)
            {
                StringBuilder strB = new StringBuilder();
                for (int i = 0; i < bytes.Length; i++)
                {
                    strB.Append(bytes[i].ToString("X2"));
                }
                hexString = strB.ToString();
            }
            return hexString;
        }

        public DesForm()
        {
            InitializeComponent();
        }
        private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            MyDES des1 = new MyDES();
            if (radioButton1.Checked == true)
            {
                MyDES.f = 1;
            }
            if (radioButton2.Checked == true)
            {
                MyDES.f = 2;
            }
            if (radioButton3.Checked == true)
            {
                MyDES.f = 3;
            }
            if (radioButton5.Checked == true)
            {
                MyDES.ff = 1;
                textBox2.Text = MyDES.Encrypt(textBox1.Text, textBox4.Text, textBox5.Text);
                textBox6.Text = ToHexString(Encoding.UTF8.GetBytes(textBox2.Text));
            }
            if (radioButton4.Checked == true)
            {
                MyDES.ff = 2;
                MyDES.FileEncryptor(textBox7.Text, textBox8.Text, textBox4.Text, textBox5.Text);
            }

        }

        private void DesForm_Load(object sender, EventArgs e)
        {
            textBox1.Text = str1;
        }

        private void button2_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            MyDES des1 = new MyDES();
            if (radioButton1.Checked == true)
            {
                MyDES.f = 1;
            }
            if (radioButton2.Checked == true)
            {
                MyDES.f = 2;
            }
            if (radioButton3.Checked == true)
            {
                MyDES.f = 3;
            }
            if (radioButton5.Checked == true)
            {
                MyDES.ff = 1;
                textBox3.Text = MyDES.Decrypt(textBox2.Text, textBox4.Text, textBox5.Text);
           }
            if (radioButton4.Checked == true)
            {
                MyDES.ff = 2;
                MyDES.FileDecrypt(textBox8.Text, textBox9.Text, textBox4.Text, textBox5.Text);
            }


        }

        private void button3_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            OpenFileDialog openFileDialog = new OpenFileDialog();
            //            openFileDialog.InitialDirectory = "E:\\";
            //            openFileDialog.Filter = "Md1 File(*.md1)|*.md1";
            //            openFileDialog.RestoreDirectory = true;
            //            openFileDialog.FilterIndex = 1;
            if (openFileDialog.ShowDialog() == DialogResult.OK)
            {
                textBox7.Text = openFileDialog.FileName;
                MFileNamestr1 = textBox7.Text;
            }

        }

        private void button4_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            OpenFileDialog openFileDialog = new OpenFileDialog();
            if (openFileDialog.ShowDialog() == DialogResult.OK)
            {
                textBox8.Text = openFileDialog.FileName;
                CFileNamestr = textBox8.Text;
            }

        }

        private void button5_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            OpenFileDialog openFileDialog = new OpenFileDialog();
            if (openFileDialog.ShowDialog() == DialogResult.OK)
            {
                textBox9.Text = openFileDialog.FileName;
                MFileNamestr2 = textBox9.Text;
            }

        }
    }

    public sealed class MyDES {
        public static uint f;
        public static uint ff;
        public static bool FileDecrypt(string sInputFilename, string sOutputFilename, string key, string IV)
        {

            byte[] desKey = ASCIIEncoding.ASCII.GetBytes(key);
            byte[] desIV = ASCIIEncoding.ASCII.GetBytes(IV);
            FileStream fin = new FileStream(sInputFilename, FileMode.Open, FileAccess.Read);
            FileStream fout = new FileStream(sOutputFilename, FileMode.OpenOrCreate, FileAccess.Write);
            fout.SetLength(0);
            long rdlen = 0;
            long totlen = fin.Length;
            //            byte[] bin = new byte[(int)totlen];
            byte[] bin = new byte[1000];
            int len;
            DES provider1 = new DESCryptoServiceProvider();
            if (f == 1)
                provider1.Mode = CipherMode.ECB;
            if (f == 2)
                provider1.Mode = CipherMode.CBC;
            if (f == 3)
                provider1.Mode = CipherMode.CFB;
            CryptoStream encStream = new CryptoStream(fout, provider1.CreateDecryptor(desKey, desIV), CryptoStreamMode.Write);
            while (rdlen < totlen)
            {
                len = fin.Read(bin, 0, 1000);
                encStream.Write(bin, 0, len);
                rdlen = rdlen + len;
            }
            encStream.Close();
            fout.Close();
            fin.Close();
            return true;
        }
        public static bool FileEncryptor(string sInputFilename, string sOutputFilename, string key, string IV)
        {

            byte[] desKey = ASCIIEncoding.ASCII.GetBytes(key);
            byte[] desIV = ASCIIEncoding.ASCII.GetBytes(IV);
            FileStream fin = new FileStream(sInputFilename, FileMode.Open, FileAccess.Read);
            FileStream fout = new FileStream(sOutputFilename, FileMode.OpenOrCreate, FileAccess.Write);
            fout.SetLength(0);
            long rdlen = 0; 
            long totlen = fin.Length;
            byte[] bin = new byte[1000];
            int len;
            DES provider1 = new DESCryptoServiceProvider();
            if (f == 1)
                provider1.Mode = CipherMode.ECB;
            if (f == 2)
                provider1.Mode = CipherMode.CBC;
            if (f == 3)
                provider1.Mode = CipherMode.CFB;
            CryptoStream encStream = new CryptoStream(fout, provider1.CreateEncryptor(desKey, desIV), CryptoStreamMode.Write);
            while (rdlen < totlen)
            {
                len = fin.Read(bin, 0, 1000);
                encStream.Write(bin, 0, len);
                rdlen = rdlen + len;
            }
            encStream.Close();
            fout.Close();
            fin.Close();
            return true;
        }
        public static string Decrypt(string val, string key, string IV)
        {
       try {
           byte[] buffer1 = ASCIIEncoding.ASCII.GetBytes(key);
           byte[] buffer2 = ASCIIEncoding.ASCII.GetBytes(IV);
         DESCryptoServiceProvider provider1 = new DESCryptoServiceProvider();
           if(f==1)
                provider1.Mode = CipherMode.ECB;
           if (f == 2)
               provider1.Mode = CipherMode.CBC ;
           if (f == 3)
               provider1.Mode = CipherMode.CFB;
         provider1.Key = buffer1;
         provider1.IV = buffer2;
         provider1.Padding = PaddingMode.PKCS7;
         ICryptoTransform transform1 = provider1.CreateDecryptor(provider1.Key, provider1.IV);
//         byte[] buffer3 = Convert.FromBase64String(val);
         byte[] buffer3 = Convert.FromBase64String(val);
         MemoryStream stream1 = new MemoryStream();
         CryptoStream stream2 = new CryptoStream(stream1, transform1, CryptoStreamMode.Write);
         stream2.Write(buffer3, 0, buffer3.Length);
         stream2.FlushFinalBlock();
         stream2.Close();
         return Encoding.Default.GetString(stream1.ToArray());
       }
       catch// (System.Exception ex)
       {
         return "";
       }
     }
 
     public static string Encrypt(string val, string key, string IV) {
       try {
           byte[] buffer1 = ASCIIEncoding.ASCII.GetBytes(key);
           byte[] buffer2 = ASCIIEncoding.ASCII.GetBytes(IV);
         DESCryptoServiceProvider provider1 = new DESCryptoServiceProvider();
         if (f == 1)
             provider1.Mode = CipherMode.ECB;
         if (f == 2)
             provider1.Mode = CipherMode.CBC;
         if (f == 3)
             provider1.Mode = CipherMode.CFB;
         KeySizes[] a = provider1.LegalBlockSizes;
         provider1.Key = buffer1;
         provider1.IV = buffer2;
         provider1.Padding = PaddingMode.PKCS7;
         ICryptoTransform transform1 = provider1.CreateEncryptor(provider1.Key, provider1.IV);
         byte[] buffer3 = ASCIIEncoding.ASCII.GetBytes(val);
         MemoryStream stream1 = new MemoryStream();
         CryptoStream stream2 = new CryptoStream(stream1, transform1, CryptoStreamMode.Write);
         stream2.Write(buffer3, 0, buffer3.Length);
         stream2.FlushFinalBlock();
         stream2.Close();
          return Convert.ToBase64String(stream1.ToArray());
 //        return Convert.ToString  (stream1.ToArray());
       }
       catch// (Exception ex)
       {
         return "";
       }
     }
   }
}

//
//  main.cpp
//  DES

 
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include "tables.h"
#include <iostream>
using namespace std;
 
void BitsCopy(bool *DatOut,bool *DatIn,int Len);  // 數(shù)組復(fù)制
void ByteToBit(bool *DatOut,char *DatIn,int Num); // 字節(jié)到位
void BitToByte(char *DatOut,bool *DatIn,int Num); // 位到字節(jié)
void BitToHex(char *DatOut,bool *DatIn,int Num);  // 二進(jìn)制到十六進(jìn)制 64位 to 4*16字符
void HexToBit(bool *DatOut,char *DatIn,int Num);  // 十六進(jìn)制到二進(jìn)制
void TablePermute(bool *DatOut,bool *DatIn,const char *Table,int Num); // 位表置換函數(shù)
void LoopMove(bool *DatIn,int Len,int Num);     // 循環(huán)左移 Len長度 Num移動位數(shù)
void Xor(bool *DatA,bool *DatB,int Num);         // 異或函數(shù)
void S_Change(bool DatOut[32],bool DatIn[48]);   // S盒變換
void F_Change(bool DatIn[32],bool DatKi[48]);    // F函數(shù)
void SetKey(char KeyIn[24]);                         // 設(shè)置密鑰
void PlayDes(char MesOut[8],char MesIn[8]);       // 執(zhí)行DES加密
void KickDes(char MesOut[8],char MesIn[8]);             // 執(zhí)行DES解密
 
int main(){
    char MesHex[16];         // 16個字符數(shù)組用于存放 64位16進(jìn)制的密文
    char MyKey[25];           // 初始密鑰 8字節(jié)*8
    char MyMessage[8];       // 初始明文
    cout<<"Input Message:64bit:"<<endl;
    cin>>MyMessage;            // 明文
    cout<<"Input Secret Key:192bit"<<endl;
    cin>>MyKey;                  // 密鑰
    int len = 0;
    while(MyKey[len]!='\0')
        len++;
    while(len!=24){
        cout<<"Input Correct Secret Key!"<<endl;
        cin>>MyKey;
        len = 0;
        while(MyKey[len]!='\0')
            len++;
    }
    SetKey(MyKey);               // 設(shè)置密鑰 得到子密鑰Ki
    PlayDes(MesHex,MyMessage);   // 執(zhí)行DES加密
    cout<<"Encrypting:"<<endl;  // 信息已加密
    for(int i = 0; i < 16; i++)
        cout<<MesHex[i];
    cout<<endl;
    KickDes(MyMessage,MesHex);                     // 解密輸出到MyMessage
    cout<<"Deciphering:"<<endl;
    for(int i = 0; i < 8; i++)
        cout<<MyMessage[i];
    cout<<endl;
}
//位移動
void BitsCopy(bool *DatOut,bool *DatIn,int Len){
    for(int i = 0; i < Len; i++)
        DatOut[i] = DatIn[i];
}
//字節(jié)轉(zhuǎn)換成位
void ByteToBit(bool *DatOut,char *DatIn,int Num){
    for(int i = 0; i < Num; i++)
        DatOut[i] = (DatIn[i / 8] >> (i % 8)) & 0x01;
}
//位轉(zhuǎn)換成字節(jié)
void BitToByte(char *DatOut,bool *DatIn,int Num){
    for(int i = 0; i < (Num / 8); i++)
        DatOut[i] = 0;
    for(int i = 0; i < Num; i++)
        DatOut[i / 8] |= DatIn[i] << (i % 8);
}
//二進(jìn)制密文轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制
void BitToHex(char *DatOut,bool *DatIn,int Num){
    for(int i = 0; i < Num / 4; i++)
        DatOut[i] = 0;
    for(int i = 0; i < Num / 4; i++){
        DatOut[i] = DatIn[i * 4] + (DatIn[i * 4 + 1] << 1) + (DatIn[i * 4 + 2] << 2) + (DatIn[i * 4 + 3] << 3);
        if((DatOut[i] % 16) > 9)
            DatOut[i] = DatOut[i] % 16 + '7';       //  余數(shù)大于9時處理 10-15 to A-F
        else
            DatOut[i] = DatOut[i] % 16 + '0';
    }
}
//十六進(jìn)制字符轉(zhuǎn)二進(jìn)制
void HexToBit(bool *DatOut,char *DatIn,int Num){
    for(int i = 0; i < Num; i++){
        if((DatIn[i / 4]) > '9')         //  大于9
            DatOut[i] = ((DatIn[i / 4] - '7') >> (i % 4)) & 0x01;
        else
            DatOut[i] = ((DatIn[i / 4] - '0') >> (i % 4)) & 0x01;
    }
}
//表置換函數(shù)
void TablePermute(bool *DatOut,bool *DatIn,const char *Table,int Num){
    static bool Temp[256]={0};
    for(int i = 0; i < Num; i++)                // Num為置換的長度
        Temp[i] = DatIn[Table[i] - 1];  // 原來的數(shù)據(jù)按對應(yīng)的表上的位置排列
    BitsCopy(DatOut,Temp,Num);       // 把緩存Temp的值輸出
}
// 子密鑰的移位
void LoopMove(bool *DatIn,int Len,int Num){
    
    static bool Temp[256]={0};
    BitsCopy(Temp,DatIn,Num);       // 將數(shù)據(jù)最左邊的Num位(被移出去的)存入Temp
    BitsCopy(DatIn,DatIn+Num,Len-Num); // 將數(shù)據(jù)左邊開始的第Num移入原來的空間
    BitsCopy(DatIn+Len-Num,Temp,Num);  // 將緩存中移出去的數(shù)據(jù)加到最右邊
}
// 按位異或
void Xor(bool *DatA,bool *DatB,int Num){
    for(int i = 0; i < Num; i++)
        DatA[i] = DatA[i] ^ DatB[i];
}
// S盒
void S_Change(bool DatOut[32],bool DatIn[48]){
    for(int i = 0,Y = 0,X = 0; i < 8; i++,DatIn += 6,DatOut += 4){   // 每執(zhí)行一次,輸入數(shù)據(jù)偏移6位,輸出數(shù)據(jù)偏移4位
        Y = (DatIn[0] << 1) + DatIn[5];                          //af代表第幾行
        X = (DatIn[1] << 3) + (DatIn[2] << 2) + (DatIn[3] << 1) + DatIn[4]; // bcde代表第幾列
        ByteToBit(DatOut,&S_Box[i][Y][X],4);      // 把找到的點數(shù)據(jù)換為二進(jìn)制
    }
}
// F函數(shù)
void F_Change(bool DatIn[32],bool DatKi[48]){
    bool MiR[48] = {0};             // 輸入32位通過E選位變?yōu)?8位
    TablePermute(MiR,DatIn,E_Table,48);
    Xor(MiR,DatKi,48);                   // 和子密鑰異或
    S_Change(DatIn,MiR);                 // S盒變換
    TablePermute(DatIn,DatIn,P_Table,32);   // P置換后輸出
}
 
void SetKey(char KeyIn[8]){      // 設(shè)置密鑰 獲取子密鑰Ki
    static bool KeyBit[192]={0};                // 密鑰二進(jìn)制存儲空間
    static bool *KiL =&KeyBit[0],*KiR =&KeyBit[64],*KiB =&KeyBit[128];
    ByteToBit(KeyBit,KeyIn,192);                    // 把密鑰轉(zhuǎn)為二進(jìn)制存入KeyBit
    for(int i = 0; i < 16; i++){
        LoopMove(KiL,64,4);
        LoopMove(KiR,64,4);
        LoopMove(KiB,64,4);
        bool temp[64] = {0};
        for(int j = 0; j < 64; j++){
            temp[j] = KeyBit[i] ^ KeyBit[i + 64];
            temp[j] = temp[j] ^ KeyBit[i + 128];
        }
        bool tep[48] = {0};
        for(int j = 0; j < 16; j++){
            tep[j] = (temp[j]^temp[j+16])^(temp[j+32]^temp[j+48]);
            tep[j+16] = tep[j];
            tep[j+32] = tep[j];
        }
        for(int j = 0; j < 16; j++)
            SubKey[i][j] = tep[j];
    }
}
// 執(zhí)行DES加密
void PlayDes(char MesOut[8],char MesIn[8]){
    static bool MesBit[64]={0};        // 明文二進(jìn)制存儲空間 64位
    static bool Temp[32]={0};
    static bool *MiL=&MesBit[0],*MiR=&MesBit[32]; // 前32位 后32位
    ByteToBit(MesBit,MesIn,64);                 // 把明文換成二進(jìn)制存入MesBit
    TablePermute(MesBit,MesBit,IP_Table,64);    // IP置換
    for(int i = 0; i < 16; i++){
        BitsCopy(Temp,MiR,32);            // 臨時存儲
        F_Change(MiR,SubKey[i]);          // F函數(shù)變換
        Xor(MiR,MiL,32);                  // 得到Ri
        BitsCopy(MiL,Temp,32);            // 得到Li
    }
    TablePermute(MesBit,MesBit,IPR_Table,64);
    BitToHex(MesOut,MesBit,64);
}
// 執(zhí)行DES解密
void KickDes(char MesOut[8],char MesIn[8]){
    static bool MesBit[64]={0};        // 密文二進(jìn)制存儲空間 64位
    static bool Temp[32]={0};
    static bool *MiL=&MesBit[0],*MiR=&MesBit[32]; // 前32位 后32位
    HexToBit(MesBit,MesIn,64);                 // 把密文換成二進(jìn)制存入MesBit
    TablePermute(MesBit,MesBit,IP_Table,64);    // IP置換
    for(int i = 15; i >= 0; i--){
        BitsCopy(Temp,MiL,32);
        F_Change(MiL,SubKey[i]);
        Xor(MiL,MiR,32);
        BitsCopy(MiR,Temp,32);
    }
    TablePermute(MesBit,MesBit,IPR_Table,64);
    BitToByte(MesOut,MesBit,64);
}

(2)報告DES雪崩效應(yīng)的觀察結(jié)果。
密鑰固定，明文改變一個字節(jié)
假定密鑰為11111111（00000001 00000001 00000001 00000001 00000001 00000001 00000001 00000001）；
明文為12345678（00000001 00000010 00000011 00000100 00000101 00000110 00000111 00001000）。
明文變動為10345678（00000001 00000000 00000011 00000100 00000101 00000110 00000111 00001000）僅變動一位。

分析：
將原明文12345678加密后的最終結(jié)果為：
9 9 F B 3 C A 8 1 4 2 E 8 3 2 1
將變動后的明文10345678加密后的最終結(jié)果為：
2 7 8 B F B E 1 9 F 8 D 7 2 3 6
對每一輪數(shù)出的加密結(jié)果統(tǒng)計分析，得到每一輪的加密結(jié)果差異bit位數(shù)如下表所示：

通過統(tǒng)計分析，可以得出結(jié)論：DES加密具有雪崩效應(yīng)。
(3)對觀察結(jié)果的分析。
分析過程及結(jié)果同上：DES加密具有雪崩效應(yīng)
(4)報告對電碼本模式和分組鏈接模式中密文錯誤時的觀察結(jié)果；并對結(jié)果進(jìn)行分析。*
(5)報告對密碼反饋模式和輸出反饋模式中密文錯誤時的觀察結(jié)果；并對結(jié)果進(jìn)行分析。**

七、實驗總結(jié)

構(gòu)造一個具備良好雪崩效應(yīng)的密碼或散列是至關(guān)重要的設(shè)計目標(biāo)之一。若某種塊密碼或加密散列函數(shù)沒有顯示出一定程度的雪崩特性，那么它被認(rèn)為具有較差的隨機(jī)化特性，從而密碼分析者得以僅僅從輸出推測輸入。這可能導(dǎo)致該算法部分乃至全部被破解。因此，從加密算法或加密設(shè)備的設(shè)計者角度來說，滿足雪崩效應(yīng)乃是必不可缺的圭臬。
這正是絕大多數(shù)塊密碼采用了乘積密碼的原因，也是大多數(shù)散列函數(shù)使用大數(shù)據(jù)塊的原因。這些特性均使得微小的變化得以通過算法的迭代迅速增殖，造成輸出的每一個二進(jìn)制位在算法終止前均受到輸入的每一個二進(jìn)制位的影響。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-734667.html

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