数据加密标准DES算法的设计与实现

资 源 简 介

本项目基于MATLAB环境完整实现了标准的数据加密标准（DES）算法。DES是一种经典的对称密钥分组加密技术，其核心是将输入的64位明文数据块，通过与56位有效密钥的复杂交互，转化为64位密文。

详 情 说 明

数据加密标准（DES）加密解密算法的设计与实现（MATLAB）

项目介绍

本项目是基于MATLAB环境实现的对称加密算法——数据加密标准（DES）。该程序完整还原了DES算法的核心逻辑，能够将64位的十六进制明文块通过56位有效密钥进行加密，并支持逆过程解密。通过对初始置换、16轮双支路迭代（Feistel网络）、S盒替换及逆置换等步骤的精确控制，实现了工业标准级的加密逻辑演示。

功能特性

• 标准兼容性：完全遵循标准DES算法的置换矩阵、S盒数据及偏移量设置。
• 对称性支持：单一核心逻辑函数同时支持加密（Mode 1）与解密（Mode 2）两种模式。
• 全流程自动化：覆盖了从十六进制字符串输入、二进制转换、子密钥生成到最终密文输出的全过程。
• 模块化设计：算法被拆分为置换、轮函数、密钥编排等独立模块，逻辑清晰，易于调试和学习。

系统要求

• 环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
• 工具箱：无需额外工具箱，仅依赖MATLAB基础矩阵运算与位处理函数。

算法实现逻辑

本项目在主程序中定义并调用了多个内部函数，实现了以下逻辑：

1. 输入转换与初始化 主程序首先接收16个字符的十六进制字符串（即64位数据），通过专门的操作函数将其转换为1x64的二进制数组。该转换使用位提取（bitget）技术确保数据排序的准确性。

2. 核心逻辑控制 核心逻辑函数负责整体流程调度。首先对输入数据进行初始置换 (IP)，将原始位序重新排列。随后，根据加密或解密模式，对生成的16个子密钥进行正向或反向排序，以确保解密逻辑与加密逻辑完全对称。

3. 子密钥生成（密钥编排） 子密钥生成模块实现了56位有效密钥的提取与扩展：

• PC-1 置换：将输入的64位密钥（含8位校验位）压缩并置换为56位。
• 循环左移：按照标准位移表（shifts），对生成的左右两部分（各28位）进行16轮循环移动。
• PC-2 置换：每轮移动后，从56位状态中选择特定的48位作为该轮的子密钥。

4. 费斯妥（Feistel）轮函数 这是DES的核心变换模块，每一轮迭代包含以下步骤：

• E扩展置换：将输入右半部分的32位数据扩展至48位，以匹配子密钥长度。
• 异或运算：将扩展后的数据与该轮子密钥进行模二加运算。
• S盒替代：算法包含8个标准的S盒（每个为4x16矩阵）。程序根据数据的首位和末位确定行，中间四位确定列，将6位输入映射为4位输出，实现非线性变换。
• P置换：将S盒输出的32位数据进行位置打乱。

5. 迭代与逆置换 经过16轮“左半部分 = 上轮右半部分，右半部分 = 上轮左半部分 ⊕ 轮函数结果”的计算后，将左右半部分交换并合并。最后，通过逆初始置换 (IP⁻¹) 恢复原始位分布，将二进制结果转换回十六进制字符串。

关键函数与细节分析

• 十六进制/二进制转换：通过自定义映射函数实现了高效的转换，确保了MATLAB中向量索引（从1开始）与算法逻辑的对齐。
• S盒查找逻辑：利用MATLAB的单元数组（Cell Array）存储8个不同的S盒矩阵，通过动态计算行（row）和列（col）索引，精确实现了DES最核心的混淆功能。
• 位移处理：利用 circshift 函数配合预设的位移向量，简洁地实现了密钥路径中的循环左移操作。
• 异或处理：全局使用 xor 函数进行逻辑运算，保证了在处理0/1二进制数组时的布尔逻辑正确性。

使用方法

1. 打开MATLAB软件。
2. 将提供的代码保存或粘贴到编辑窗口。
3. 运行主程序。
4. 控制台将依次输出：

* 原始定义的十六进制明文。 * 加密后的十六进制密文。 * 通过解密逻辑恢复出的十六进制明文。

1. 用户可以通过修改主程序开头的 input_hex 和 key_hex 变量，验证不同明文和密钥下的加密结果。