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一、具体描述
基于计算机高级语言（如C语言）实现DES算法
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二、名词术语与相关知识
| DES算法 | DES（Data Encryption Standard）是一种对称加密算法，被广泛应用于数据加密领域。它使用64位密钥和64位明文，通过一系列的操作将明文加密成密文。 |
| 初始置换和逆初始置换 | 初始置换IP和逆初始置换IP^-1是DES算法中的两个置换操作。初始置换将64位明文按照特定的顺序重新排列，得到一个新的64位数据块；逆初始置换是初始置换的逆操作，将密文还原为明文。 |
| 扩展运算 | 扩展运算是DES算法中的一个操作，用于将32位数据扩展为48位。该操作使用选择置换矩阵E对32位数据进行扩展，并生成一个48位的数据块。 |
| S盒变换 | S盒变换是DES算法中的一个操作，用于将48位数据压缩为32位。该操作使用8个不同的S盒，在输入48位数据时输出32位数据。每个S盒都是一个4x16的置换表，用于将6位输入映射到4位输出。 |
| 置换运算 | 置换运算是DES算法中的一个操作，用于将32位数据根据特定的置换表进行置换。DES算法中使用的置换表有选择置换矩阵P和置换选择矩阵PC-1、PC-2。 |
| 子密钥生成 | 子密钥生成是DES算法中的一个步骤，用于生成16个48位的子密钥。该过程使用置换选择矩阵PC-1和PC-2，以及循环左移和压缩操作，从64位密钥中生成16个48位子密钥。 |
| 异或运算 | 异或运算是一种逻辑运算，用于对两个二进制数进行比较。当两个数的位相同时，结果为0，不同时，结果为1。 |
三、DES算法原理和实现方法
- 算法简介：DES算法是对称加密算法，也就是加密和解密的密钥相同。
DES算法的主要内容：DES算法的入口参数有三个：Key、Data、Mode。其中Key为7个字节共56位，是DES算法的工作密钥；Data为8个字节64位，是要被加密或被解密的数据；Mode为DES的工作方式，有两种：加密或者解密。
- 算法实现：
1.算法流程：
（百度DES算法图）
- 算法实现：
对算法流程图进行总结得出，DES算法的基本框架为：
（1）对明文二进制进行IP置换
（2）对IP置换后的数据进行分割为L0和R0（即左32位和右32位）
（3）根据密钥进行对每一轮的子密钥计算（16轮相同运算）
（4）获取到下一轮的Ln和Rn，中间的Kn和计算函数f
（5）合并最后得到的L15和R15进行IP逆置换得到加密后的密文
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- IP置换和IP逆置换
- IP置换是将64位数据重新换位，分为左32位和右32位，如下是IP置换表
| 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 |
- IP逆置换和IP置换是一样的操作，IP逆置换表如下
| 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 |
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- 计算每轮子密钥
DES密钥从64位变为56位，56位密钥由密钥置换表得到
| 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 |
DES的每轮子密钥，是从56位的密钥中产生处不同的子密钥，确定子密钥方式如下：
- 将56位的密钥分为两部分，28位为一部分
- 根据不同的轮数，每部分循环左移1位或者2位置，移动的位数表如下
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 |
移动之后，从56位中选48位，在密钥压缩置换后确定子密钥，压缩表如下
| 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 |
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- f函数和异或运算
这里主要包括E拓展置换、S盒代替、P盒置换，就不再具体阐述了。
3.Python实现
- 初始化
self.ip（IP置换）、self.ip1（逆IP置换）、self.E（E置换，32位明文置换为48位）、self.P（P置换，对S盒后的数据再次置换）、self.K（默认密钥0101010001101000011010010101001101101001011101110110100101110110
）、self.k1（密钥K1初始置换）、self.k0（密钥循环移位位数）、self.S（S盒数据，8个S盒）
二、def的函数和接口
（1）def __substitution(self, table: str, self_table: list) -> str:（置换函数：密钥、IP等）
（2）def str2bin(self, string: str) -> str:（明文转换为二进制字符串）
（3）def bin2str(self, binary: str) -> str:（二进制字符串转成字符串）
（4）def __bin2int(self, binary: str) -> list:（将二进制字符串每8位转成int列表）
（5）def __int2bin(self, list_int: list) -> str:（将int类型的列表转成二进制串）
（6）def __get_block_list(self, binary: str) -> list:（对二进制串进行切分，每64位为一块）
（7）def modify_secretkey(self):（修改默认密钥函数）
（8）ef __f_funtion(self, right: str, key: str):（对right进行E拓展，与key进行异或操作，进入S盒子，进行P置换）
（9）def __get_key_list(self):（返回加密过程中16轮的子密钥）
（10）def __xor_function(self, xor1: str, xor2: str):（异或操作返回的结果）
（11）def __s_box(self, xor_result: str):（S盒置换返回32位）
(12)def __iteration(self, bin_plaintext: str, key_list: list):(进行F函数以及左异或操作之后的字符串)
(13)def encode(self, plaintext):(加密接口)
(14)def decode(self, ciphertext):(解密)
三、实现过程截图
（1）开始运行后可以选择自己输入8位长度的密钥，然后可以进行加密和解密的选择
（2）选择加密，这里加密内容为：I love you!，可以得到加密后的密文为：
7B3BB376B983351445C6D1D9E6DA2847
（3）选择对刚刚加密的内容解密，就可以得到加密前的明文了。
四、Python代码
import binascii
class ArrangeSimpleDES():
def __init__(self):
# 出初始化DES加密的参数
self.ip = [
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,
] # ip置换
self.ip1 = [
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,
] # 逆ip置换
self.E = [
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,
] # E置换，将32位明文置换位48位
self.P = [
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,
] # P置换，对经过S盒之后的数据再次进行置换
# 设置默认密钥
# self.K = '0111010001101000011010010111001101101001011100110110100101110110'
self.K = '0101010001101000011010010101001101101001011101110110100101110110'
self.k1 = [
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,
] # 密钥的K1初始置换
self.k2 = [
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,
]
self.k0 = [1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, ] # 秘钥循环移位的位数
self.S = [
[
0xe, 0x4, 0xd, 0x1, 0x2, 0xf, 0xb, 0x8, 0x3, 0xa, 0x6, 0xc, 0x5, 0x9, 0x0, 0x7,
0x0, 0xf, 0x7, 0x4, 0xe, 0x2, 0xd, 0x1, 0xa, 0x6, 0xc, 0xb, 0x9, 0x5, 0x3, 0x8,
0x4, 0x1, 0xe, 0x8, 0xd, 0x6, 0x2, 0xb, 0xf, 0xc, 0x9, 0x7, 0x3, 0xa, 0x5, 0x0,
0xf, 0xc, 0x8, 0x2, 0x4, 0x9, 0x1, 0x7, 0x5, 0xb, 0x3, 0xe, 0xa, 0x0, 0x6, 0xd,
],
[
0xf, 0x1, 0x8, 0xe, 0x6, 0xb, 0x3, 0x4, 0x9, 0x7, 0x2, 0xd, 0xc, 0x0, 0x5, 0xa,
0x3, 0xd, 0x4, 0x7, 0xf, 0x2, 0x8, 0xe, 0xc, 0x0, 0x1, 0xa, 0x6, 0x9, 0xb, 0x5,
0x0, 0xe, 0x7, 0xb, 0xa, 0x4, 0xd, 0x1, 0x5, 0x8, 0xc, 0x6, 0x9, 0x3, 0x2, 0xf,
0xd, 0x8, 0xa, 0x1, 0x3, 0xf, 0x4, 0x2, 0xb, 0x6, 0x7, 0xc, 0x0, 0x5, 0xe, 0x9,
],
[
0xa, 0x0, 0x9, 0xe, 0x6, 0x3, 0xf, 0x5, 0x1, 0xd, 0xc, 0x7, 0xb, 0x4, 0x2, 0x8,
0xd, 0x7, 0x0, 0x9, 0x3, 0x4, 0x6, 0xa, 0x2, 0x8, 0x5, 0xe, 0xc, 0xb, 0xf, 0x1,
0xd, 0x6, 0x4, 0x9, 0x8, 0xf, 0x3, 0x0, 0xb, 0x1, 0x2, 0xc, 0x5, 0xa, 0xe, 0x7,
0x1, 0xa, 0xd, 0x0, 0x6, 0x9, 0x8, 0x7, 0x4, 0xf, 0xe, 0x3, 0xb, 0x5, 0x2, 0xc,
],
[
0x7, 0xd, 0xe, 0x3, 0x0, 0x6, 0x9, 0xa, 0x1, 0x2, 0x8, 0x5, 0xb, 0xc, 0x4, 0xf,
0xd, 0x8, 0xb, 0x5, 0x6, 0xf, 0x0, 0x3, 0x4, 0x7, 0x2, 0xc, 0x1, 0xa, 0xe, 0x9,
0xa, 0x6, 0x9, 0x0, 0xc, 0xb, 0x7, 0xd, 0xf, 0x1, 0x3, 0xe, 0x5, 0x2, 0x8, 0x4,
0x3, 0xf, 0x0, 0x6, 0xa, 0x1, 0xd, 0x8, 0x9, 0x4, 0x5, 0xb, 0xc, 0x7, 0x2, 0xe,
],
[
0x2, 0xc, 0x4, 0x1, 0x7, 0xa, 0xb, 0x6, 0x8, 0x5, 0x3, 0xf, 0xd, 0x0, 0xe, 0x9,
0xe, 0xb, 0x2, 0xc, 0x4, 0x7, 0xd, 0x1, 0x5, 0x0, 0xf, 0xa, 0x3, 0x9, 0x8, 0x6,
0x4, 0x2, 0x1, 0xb, 0xa, 0xd, 0x7, 0x8, 0xf, 0x9, 0xc, 0x5, 0x6, 0x3, 0x0, 0xe,
0xb, 0x8, 0xc, 0x7, 0x1, 0xe, 0x2, 0xd, 0x6, 0xf, 0x0, 0x9, 0xa, 0x4, 0x5, 0x3,
],
[
0xc, 0x1, 0xa, 0xf, 0x9, 0x2, 0x6, 0x8, 0x0, 0xd, 0x3, 0x4, 0xe, 0x7, 0x5, 0xb,
0xa, 0xf, 0x4, 0x2, 0x7, 0xc, 0x9, 0x5, 0x6, 0x1, 0xd, 0xe, 0x0, 0xb, 0x3, 0x8,
0x9, 0xe, 0xf, 0x5, 0x2, 0x8, 0xc, 0x3, 0x7, 0x0, 0x4, 0xa, 0x1, 0xd, 0xb, 0x6,
0x4, 0x3, 0x2, 0xc, 0x9, 0x5, 0xf, 0xa, 0xb, 0xe, 0x1, 0x7, 0x6, 0x0, 0x8, 0xd,
],
[
0x4, 0xb, 0x2, 0xe, 0xf, 0x0, 0x8, 0xd, 0x3, 0xc, 0x9, 0x7, 0x5, 0xa, 0x6, 0x1,
0xd, 0x0, 0xb, 0x7, 0x4, 0x9, 0x1, 0xa, 0xe, 0x3, 0x5, 0xc, 0x2, 0xf, 0x8, 0x6,
0x1, 0x4, 0xb, 0xd, 0xc, 0x3, 0x7, 0xe, 0xa, 0xf, 0x6, 0x8, 0x0, 0x5, 0x9, 0x2,
0x6, 0xb, 0xd, 0x8, 0x1, 0x4, 0xa, 0x7, 0x9, 0x5, 0x0, 0xf, 0xe, 0x2, 0x3, 0xc,
],
[
0xd, 0x2, 0x8, 0x4, 0x6, 0xf, 0xb, 0x1, 0xa, 0x9, 0x3, 0xe, 0x5, 0x0, 0xc, 0x7,
0x1, 0xf, 0xd, 0x8, 0xa, 0x3, 0x7, 0x4, 0xc, 0x5, 0x6, 0xb, 0x0, 0xe, 0x9, 0x2,
0x7, 0xb, 0x4, 0x1, 0x9, 0xc, 0xe, 0x2, 0x0, 0x6, 0xa, 0xd, 0xf, 0x3, 0x5, 0x8,
0x2, 0x1, 0xe, 0x7, 0x4, 0xa, 0x8, 0xd, 0xf, 0xc, 0x9, 0x0, 0x3, 0x5, 0x6, 0xb,
],
] # 16进制表示S盒的数据，S盒是为了将48位转换为32位，有8个盒子
def __substitution(self, table: str, self_table: list) -> str:
"""
:param table: 需要进行置换的列表,是一个01字符串
:param self_table: 置换表，在__init__中初始化了
:return: 返回置换后的01字符串
"""
sub_result = ""
for i in self_table:
sub_result += table[i - 1]
return sub_result
def str2bin(self, string: str) -> str:
"""
将明文转为二进制字符串:
:param string: 任意字符串
:return:二进制字符串
"""
plaintext_list = list(bytes(string, 'utf8')) # 将字符串转成bytes类型，再转成list
result = [] # 定义返回结果
for num in plaintext_list:
result.append(bin(num)[2:].zfill(8)) # 将列表的每个元素转成二进制字符串，8位宽度
return "".join(result)
def bin2str(self, binary: str) -> str:
"""
二进制字符串转成字符串
:param binary:
:return:
"""
list_bin = [binary[i:i + 8] for i in range(0, len(binary), 8)] # 对二进制字符串进行切分，每8位为一组
list_int = []
for b in list_bin:
list_int.append(int(b, 2)) # 对二进制转成int
result = bytes(list_int).decode() # 将列表转成bytes，在进行解码，得到字符串
return result
def __bin2int(self, binary: str) -> list:
"""
由于加密之后的二进制无法直接转成字符，有不可见字符在，utf8可能无法解码，所以需要将二进制字符串每8位转成int型号列表，用于转成bytes再转hex
:param binary: 二进制字符串
:return: int型列表
"""
list_bin = [binary[i:i + 8] for i in range(0, len(binary), 8)] # 对二进制字符串进行切分，每8位为一组
list_int = []
for b in list_bin:
list_int.append(int(b, 2))
return list_int
def __int2bin(self, list_int: list) -> str:
result = []
for num in list_int:
result.append(bin(num)[2:].zfill(8))
return ''.join(result)
def __get_block_list(self, binary: str) -> list:
"""
对明文二进制串进行切分，每64位为一块，DES加密以64位为一组进行加密的
:type binary: 二进制串
"""
len_binary = len(binary)
if len_binary % 64 != 0:
binary_block = binary + ("0" * (64 - (len_binary % 64)))
return [binary_block[i:i + 64] for i in range(0, len(binary_block), 64)]
else:
return [binary[j:j + 64] for j in range(0, len(binary), 64)]
def modify_secretkey(self):
"""
修改默认密钥函数
:return: None
"""
print('默认二进制形式密钥为:{}'.format(self.K))
print("字符串形式密钥为：{}".format(self.bin2str(self.K)))
newkey = input("输入新的密钥（长度为8）：")
if len(newkey) != 8:
print("密钥长度不符合，请重新输入：")
self.modify_secretkey()
else:
bin_key = self.str2bin(newkey)
self.K = bin_key
print("新的二进制形式密钥为:{}".format(self.K))
def __f_funtion(self, right: str, key: str):
"""
:param right: 明文二进制的字符串加密过程的右半段
:param key: 当前轮数的密钥
:return: 进行E扩展，与key异或操作，S盒操作后返回32位01字符串
"""
# 对right进行E扩展
e_result = self.__substitution(right, self.E)
# 与key 进行异或操作
xor_result = self.__xor_function(e_result, key)
# 进入S盒子
s_result = self.__s_box(xor_result)
# 进行P置换
p_result = self.__substitution(s_result, self.P)
return p_result
def __get_key_list(self):
"""
:return: 返回加密过程中16轮的子密钥
"""
key = self.__substitution(self.K, self.k1)
left_key = key[0:28]
right_key = key[28:56]
keys = []
for i in range(1, 17):
move = self.k0[i - 1]
move_left = left_key[move:28] + left_key[0:move]
move_right = right_key[move:28] + right_key[0:move]
left_key = move_left
right_key = move_right
move_key = left_key + right_key
ki = self.__substitution(move_key, self.k2)
keys.append(ki)
return keys
def __xor_function(self, xor1: str, xor2: str):
"""
:param xor1: 01字符串
:param xor2: 01字符串
:return: 异或操作返回的结果
"""
size = len(xor1)
result = ""
for i in range(0, size):
result += '0' if xor1[i] == xor2[i] else '1'
return result
def __s_box(self, xor_result: str):
"""
:param xor_result: 48位01字符串
:return: 返回32位01字符串
"""
result = ""
for i in range(0, 8):
# 将48位数据分为6组，循环进行
block = xor_result[i * 6:(i + 1) * 6]
line = int(block[0] + block[5], 2)
colmn = int(block[1:4], 2)
res = bin(self.S[i][line * 16 + colmn])[2:]
if len(res) < 4:
res = '0' * (4 - len(res)) + res
result += res
return result
def __iteration(self, bin_plaintext: str, key_list: list):
"""
:param bin_plaintext: 01字符串，64位
:param key_list: 密钥列表，共16个
:return: 进行F函数以及和left异或操作之后的字符串
"""
left = bin_plaintext[0:32]
right = bin_plaintext[32:64]
for i in range(0, 16):
next_lift = right
f_result = self.__f_funtion(right, key_list[i])
next_right = self.__xor_function(left, f_result)
left = next_lift
right = next_right
bin_plaintext_result = left + right
return bin_plaintext_result[32:] + bin_plaintext_result[:32]
def encode(self, plaintext):
"""
:param plaintext: 明文字符串
:return: 密文字符串
"""
bin_plaintext = self.str2bin(plaintext)
bin_plaintext_block = self.__get_block_list(bin_plaintext)
ciphertext_bin_list = []
key_list = self.__get_key_list()
for block in bin_plaintext_block:
# 初代ip置换
sub_ip = self.__substitution(block, self.ip)
ite_result = self.__iteration(sub_ip, key_list)
# 逆ip置换
sub_ip1 = self.__substitution(ite_result, self.ip1)
ciphertext_bin_list.append(sub_ip1)
ciphertext_bin = ''.join(ciphertext_bin_list)
result = self.__bin2int(ciphertext_bin)
return bytes(result).hex().upper()
def decode(self, ciphertext):
'''
:param ciphertext: 密文字符串
:return: 明文字符串
'''
b_ciphertext = binascii.a2b_hex(ciphertext)
bin_ciphertext = self.__int2bin(list(b_ciphertext))
bin_plaintext_list = []
key_list = self.__get_key_list()
key_list = key_list[::-1]
bin_ciphertext_block = [bin_ciphertext[i:i + 64] for i in range(0, len(bin_ciphertext), 64)]
for block in bin_ciphertext_block:
sub_ip = self.__substitution(block, self.ip)
ite = self.__iteration(sub_ip, key_list)
sub_ip1 = self.__substitution(ite, self.ip1)
bin_plaintext_list.append(sub_ip1)
bin_plaintext = ''.join(bin_plaintext_list).replace('00000000', '')
return self.bin2str(bin_plaintext)
def main(self):
select = input("请选择方式:\n1、加密\t 2、解密\n选择:")
if select == '1':
plaintext = input("输入要加密的内容：")
# print("Your plaintext is:{}".format(plaintext))
ciphertext = self.encode(plaintext)
print("加密后是:{}".format(ciphertext))
elif select == '2':
plaintext = input("输入要解密的内容：")
# print("Your ciphertext is:{}".format(plaintext))
plaintext = self.decode(plaintext)
print("解密的内容是:{}".format(plaintext))
# print(len(plaintext))
else:
input("Please selecting again！")
self.main()
if __name__ == '__main__':
mydes = ArrangeSimpleDES()
mydes.modify_secretkey()
while True:
mydes.main()
print("")
