基于DES算法的数据加密仿真系统

资 源 简 介

该项目利用MATLAB开发环境实现了对称加密标准DES（Data Encryption Standard）的核心加密流程。系统通过对64位明文块进行初始置换（IP），随后进入16轮费斯妥（Feistel）结构迭代。在每一轮迭代中，32位右半部分数据经过扩展置换（E）、与当前轮子密钥进行异或运算、通过8个标准S盒进行非线性代换，以及最终的P盒置换处理。项目完整实现了子密钥生成逻辑，能够根据初始64位密钥生成16组48位子密钥，涉及置换选择1（PC-1）、循环左移以及置换选择2（PC-2）。该MATLAB实现

详 情 说 明

基于MATLAB的DES加密算法实现与仿真

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB环境开发的对称加密标准（DES）仿真系统。它完整再现了经典分组加密算法DES的核心逻辑，包括明文转换、子密钥生成、多轮费斯妥（Feistel）结构迭代以及最终的置换处理。该系统旨在通过结构化的编程方式，清晰地展示加密过程中数据位的流转与变换过程，是密码学研究与教学的理想参考方案。

功能特性

1. 标准化流程：严格遵循DES算法标准，实现了初始置换（IP）、16轮迭代过程、逆初始置换（IP_INV）等全套流程。
2. 自动化密钥管理：支持从64位初始密钥自动生成16组48位子密钥，完全实现置换选择1（PC-1）、循环左移及其偏移量控制和置换选择2（PC-2）。
3. 向量化运算：充分利用MATLAB的向量化索引特性，舍弃了繁琐的多层循环，极大提升了位运算的执行效率和代码的可读性。
4. 十六进制交互：通过内置转换函数，支持以十六进制字符串形式输入明文与密钥，并以十六进制和二进制两种格式输出加密结果。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
2. 硬件要求：标准PC配置，能够运行常用的数值计算环境。

实现逻辑与算法细节

#### 1. 数据预处理 系统接收16位十六进制字符串作为明文和密钥。首先通过转换逻辑将十六进制字符拆分为4位二进制，最终形成1x64的二进制数值向量。所有的置换和逻辑运算均基于此向量进行索引操作，确保了处理的高效性。

#### 2. 子密钥生成逻辑 这是DES算法的安全核心之一，系统通过以下步骤实现：

• 置换选择1 (PC-1)：将输入的64位密钥（含8位校验位）压缩并打乱，生成56位核心密钥，并将其平分为C和D两个28位部分。
• 循环左移：根据算法定义的移动表，在16轮生成过程中，C和D分别进行指定位数的循环左移调整。
• 置换选择2 (PC-2)：将移位后的C和D重新合并为56位，通过PC-2表提取出48位比特，作为当前加密轮次的唯一子密钥。

#### 3. DES加密核心流程 加密逻辑封装在核心加密模块中，遵循典型的分组密码结构：

• 初始置换 (IP)：对64位明文块通过预定义的位置映射表进行初次重排。
• 费斯妥结构 (Feistel)：

* 将64位数据分为左（L）、右（R）两半，每半32位。 * 共执行16轮迭代。在每一轮中，新的L等于上一轮的R，新的R等于上一轮的L与费斯妥函数计算结果的异或操作。

• 结束合并：第16轮结束后，将R和L互换位置（左变右，右变左）进行合并。
• 逆初始置换 (IP_INV)：将合并后的64位数据通过初始置换的逆变换，产生最终的密文。

#### 4. 费斯妥函数 (F-Function) 实现内容 这是算法产生非线性扩散的关键，具体细节如下：

• 扩展置换 (E)：通过特定表结构将32位右半部分数据扩展为48位，使之能与子密钥进行长度匹配的操作。
• 子密钥异或：扩展后的数据与本轮生成的48位子密钥进行异或运算。
• S盒代换 (S-Box Substitution)：系统内置了8个标准的非线性代换表。48位输入被平分为8组，每组6位。

* 每一组的第1和第6位决定行索引。 * 每一组的中间4位决定列索引。 * 根据索引从对应的S盒中找出数值并转换为4位二进制，最终将8组4位数据合并为32位。

• P盒置换 (Permutation)：对S盒输出的32位数据通过P盒表进行位置打乱，以增加混淆性。

关键函数与实现细节分析

• 向量索引优化：代码中没有使用繁琐的循环进行位移动，而是通过 数据(置换表) 的形式，利用MATLAB强大的矩阵索引机制一次性完成置换，这在处理位级操作时具有极高的性能。
• 循环左移实现：利用 circshift 函数配合负位偏移，精准模拟了二进制位在内存中的循环左移动作。
• 状态展示：系统具备清晰的输出接口，能够在主程序中直观显示原始明文、初始密钥以及加密后的十六进制和二进制密文，便于对加密过程进行校验。

使用方法

1. 打开MATLAB软件，将项目相关代码文件置于当前工作路径下。
2. 运行主函数。
3. 系统将自动执行演示代码，输出如下内容：

* 原始明文的十六进制表示。 * 初始密钥的十六进制表示。 * 经过16轮完整DES加密后的十六进制密文。 * 最终生成的二进制码流。

1. 如需加密自定义数据，请在主函数起始位置修改 16进制明文 和 16进制密钥 变量的值。