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DES加密解密算法之python实现版(图文并茂)

Posted in Python onDecember 06, 2018

一、DSE算法背景介绍

1. DES的采用
1979年，美国银行协会批准使用
1980年，美国国家标准局（ANSI）赞同DES作为私人使用的标准,称之为DEA（ANSI X.392）
1983年，国际化标准组织ISO赞同DES作为国际标准，称之为DEA-1
该标准规定每五年审查一次，计划十年后采用新标准
最近的一次评估是在1994年1月，已决定1998年12月以后，DES将不再作为联邦加密标准。

2.DES算法特点

1) 分组加密算法：

以64位为分组。64位一组的明文从算法一端输入，64位密文从另一端输出。

2) 对称算法：

加密和解密用同一密钥。

3) 有效密钥长度为56位。

密钥通常表示为64位数，但每个第8位用作奇偶校验，可以忽略。输入的64bit秘钥只有56bit作为有效位

二、DES算法描述

1、DES算法加密流程的文字描述

DES对64位的明文分组进行操作。通过一个初始置换，将明文分组分成左半部分和右半部分，各32位长。然后进行16轮完全相同的运算，这些运算被称为函数f，在运算过程中数据与密钥结合。经过16轮后，左、右半部分合在一起，经过一个末置换（初始置换的逆置换），这样该算法就完成了。

二、DES算法加密流程的图形描述

DES加密解密算法之python实现版(图文并茂)

图一

DES加密解密算法之python实现版(图文并茂)

图二

三、具体参数解释

1、IP置换和IP逆置换

IP置换作用于进行16轮f函数作用之前，IP逆置换作用于16轮f函数作用之后。IP置换和IP逆置换表如下图所示：

DES加密解密算法之python实现版(图文并茂)

图三

该表的含义解释：例如IP置换表中的第一行第一列的数值为58，就代表将明文的第58位替换到第一位，例如明文初始的第58位是1，第1位是0，第39位是0，根据上表替换后的64位待加密文本为：第一位是1，第58位是0。之后提到的置换表也是这个意思。

2、f函数

经过初始置换后，进行16轮完全相同的运算。这些运算被称为f，在运算过程中数据与密钥结合。f函数作用于每轮的key值和每轮的待加密文本的右半部分，即Ki,Ri

f函数作用于每轮的key值和每轮的待加密文本的右半部分，即Ki,Ri

DES加密解密算法之python实现版(图文并茂)

图四

函数¦的输出经过一个异或运算，和左半部分结合，其结果成为新的右半部分，原来的右半部分成为新的左半部分。

DES加密解密算法之python实现版(图文并茂)

图五

3、扩展置换，扩展置换将32位的R部分，扩展为48位

扩展表如图所示：

DES加密解密算法之python实现版(图文并茂)

图六

4、S盒替换，S盒替换将扩展替换后与ki（第i轮KEY值）异或后的结果压缩为32位，每6位与一个S盒运算，运算后压缩为4位，共有八个S盒，分为S1，S2......S8。具体如下图所示

DES加密解密算法之python实现版(图文并茂)

图七

S盒介绍，以第六个S盒，S6为例

DES加密解密算法之python实现版(图文并茂)

图八

设入的六位为b1,b2,b3,b4,b5,b6，b1、b6位组合得到列号，b2,b3,b4,b5组合得到行号。具体实现看底下的代码。确定行号和列好后将6位替换为4位数据，数据段具体值即为行列相交处的值，例如3行4列即为5,5的二进制码位1001，将原来的6位替换为4位即1001

4、P盒替换

P盒替换将S盒替换之后的结果进行一次位置替换，替换表如图所示： DES加密解密算法之python实现版(图文并茂)

图九

5 最后讲一下重头戏——16轮秘钥生成

先上个图

DES加密解密算法之python实现版(图文并茂)

图10

图中的置换选择1和置换选择2跟之前将的置换选择原理是一样的，在代码中你能看到置换表

这里也给出来吧

DES加密解密算法之python实现版(图文并茂)

图11

C0，D0指的是将56位（注位都是指的bit）秘钥分为左右两部分，C0代表左半部分，D0是右半部分。循环左移指的是将bit位循环左移，移除的位补到末尾，l例如100010循环左移一位之后位000101

每轮秘钥生成的时候循环左移的次数都不一样，具体如下表

DES加密解密算法之python实现版(图文并茂)

图12

四、以上都是文字加图表描述，下面直接上代码，代码我都加了详细的备注，大家结合上面的说明一定能读懂滴。有点长，大家细心看

#writter:liuyang@BUAASoftwareDepartment
#date:2014/05/14
#function:DEC加密、解密算法
#contact me:734056968@qq.com

#IP置换表
IP_table=[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
]
#逆IP置换表
_IP_table=[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盒中的S1盒
S1=[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
]
#S盒中的S2盒
S2=[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,  0,  5, 14,  9
]
#S盒中的S3盒
S3=[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
]
#S盒中的S4盒
S4=[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
]
#S盒中的S5盒
S5=[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
]
#S盒中的S6盒
S6=[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
]
#S盒中的S7盒
S7=[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
]
#S盒中的S8盒
S8=[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
]
# S盒
S=[S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8]
#P盒
P_table=[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
]
#压缩置换表1，不考虑每字节的第8位，将64位密钥减至56位。然后进行一次密钥置换。
yasuo1_table=[ 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
]


#压缩置换表2，用于将循环左移和右移后的56bit密钥压缩为48bit
yasuo2_table=[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
]


#用于对数据进行扩展置换，将32bit数据扩展为48bit
extend_table=[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
]
#将字符转换为对应的Unicode码，中文用2个字节表示
def char2unicode_ascii(intext,length):
    outtext=[]
    for i in range(length):
        outtext.append(ord(intext[i]))
    return outtext
#将Unicode码转为bit    
def unicode2bit(intext,length):
    outbit=[]
    for i in range(length*16):
        outbit.append((intext[int(i/16)]>>(i%16))&1)#一次左移一bit
    return outbit
#将8位ASCII码转为bit    
def byte2bit(inchar,length):
    outbit=[]
    for i in range(length*8):
        outbit.append((inchar[int(i/8)]>>(i%8))&1)#一次左移一bit
    return outbit
#将bit转为Unicode码
def bit2unicode(inbit,length):
    out=[]
    temp=0
    for i in range(length):
        temp=temp|(inbit[i]<<(i%16))
        if i%16==15:            
            out.append(temp)
            temp=0
    return out
#将bit转为ascii 码
def bit2byte(inbit,length):
    out=[]
    temp=0
    for i in range(length):
        temp=temp|(inbit[i]<<(i%8))
        if i%8==7:            
            out.append(temp)
            temp=0
    return out
#将unicode码转为字符（中文或英文）
def unicode2char(inbyte,length):
    out=""
    for i in range(length):
        out=out+chr(inbyte[i])
    return out


#生成每一轮的key
def createKeys(inkeys):
    keyResult=[]
    asciikey=char2unicode_ascii(inkeys,len(inkeys))
    keyinit=byte2bit(asciikey,len(asciikey))
#    print("keyinit=",end='')
#    print(keyinit)
    #初始化列表key0,key1
    key0=[0 for i in range(56)]
    key1=[0 for i in range(48)]
    #进行密码压缩置换1，将64位密码压缩为56位
    for i in range(56):
        key0[i]=keyinit[yasuo1_table[i]-1]
        
    #进行16轮的密码生成        
    for i in range(16):
        #---------确定左移的次数----------
        if (i==0 or i==1 or i==8 or i==15):
            moveStep=1
        else:
            moveStep=2
        #------------------------------
            
        #--------分两部分，每28bit位一部分，进行循环左移------------    
        for j in range(moveStep):
            for k in range(8):
                temp=key0[k*7]
                for m in range(7*k,7*k+6):
                    key0[m]=key0[m+1]
                key0[k*7+6]=temp
            temp=key0[0]
            for k in range(27):
                key0[k]=key0[k+1]
            key0[27]=temp
            temp=key0[28]
            for k in  range(28,55):
                key0[k]=key0[k+1]
            key0[55]=temp
        #-----------------------------------------------------


        #------------对56位密钥进行压缩置换，压缩为48位-------------
        for k in range(48):
            key1[k]=key0[yasuo2_table[k]-1]     
        keyResult.extend(key1)


        
        #------------------------------------------------------
        
    return keyResult

def DES(text,key,optionType):
    keyResult=createKeys(key)
    finalTextOfBit=[0 for i in range(64)]
    finalTextOfUnicode=[0 for i in range(4)]
#    print(keyResult)        
     
    if optionType==0:#选择的操作类型为加密
        
        tempText=[0 for i in range(64)]#用于临时盛放IP逆置换之前，将L部分和R部分合并成64位的结果
        extendR=[0 for i in range(48)]#用于盛放R部分的扩展结果
        unicodeText=char2unicode_ascii(text,len(text))
#        print(unicodeText)
        bitText=unicode2bit(unicodeText,len(unicodeText))
#        print(bitText)
        
        initTrans=[0 for i in range(64)]#初始化，用于存放IP置换后的结果
        
        #------------------进行初始IP置换---------------
        for i in range(64):
            initTrans[i]=bitText[IP_table[i]-1]
        #将64位明文分为左右两部分
        L=[initTrans[i] for i in range(32)]
        R=[initTrans[i] for i in range(32,64)]
        
        
        #开始进行16轮运算              
        for i in range(16):
            tempR=R #用于临时盛放R
            
            #-----------进行扩展，将32位扩展为48位--------
            for j in range(48):
                extendR[j]=R[extend_table[j]-1]
 #           print(len(keyResult))    
            keyi=[keyResult[j] for j in range(i*48,i*48+48)]
            #----------与key值进行异或运算----------------
            XORResult=[0 for j in range(48)]
            for j in range(48):
                if keyi[j]!=extendR[j]:
                    XORResult[j]=1
            
            SResult=[0 for k in range(32)]
             #---------开始进行S盒替换-------------------          
            for k in range(8):
                row=XORResult[k*6]*2+XORResult[k*6+5]
                column=XORResult[k*6+1]*8+XORResult[k*6+2]*4+XORResult[k*6+3]*2+XORResult[k*6+4]
                temp=S[k][row*16+column]
                for m in range(4):
                    SResult[k*4+m]=(temp>>m)&1
             #-----------------------------------------
            PResult=[0 for k in range(32)]
            #--------------开始进行P盒置换----------------
            for k in range(32):
                PResult[k]=SResult[P_table[k]-1]
            #------------------------------------------


            #--------------与L部分的数据进行异或------------
            XORWithL=[0 for k in range(32)]
            for k in range(32):
                if L[k]!=PResult[k]:
                    XORWithL[k]=1
            #----------------------------------------------


            #-------------将临时保存的R部分值，即tempR复制给L------
            L=tempR
            R=XORWithL
            
        #----交换左右两部分------
        L,R=R,L
        
        #-----合并为一部分
        tempText=L
        tempText.extend(R)
        #-----------IP逆置换--------
        for k in range(64):
            finalTextOfBit[k]=tempText[_IP_table[k]-1]
        finalTextOfUnicode=bit2byte(finalTextOfBit,len(finalTextOfBit))
#        print(finalTextOfUnicode)
        finalTextOfChar=unicode2char(finalTextOfUnicode,len(finalTextOfUnicode))
#        print(finalTextOfChar)
        return finalTextOfChar
    else:#选择的操作类型为解密


        tempText=[0 for i in range(64)]#用于临时盛放IP逆置换之前，将L部分和R部分合并成64位的结果
        extendR=[0 for i in range(48)]#用于盛放R部分的扩展结果
        unicodeText=char2unicode_ascii(text,len(text))
#        print(unicodeText)
        bitText=byte2bit(unicodeText,len(unicodeText))
#        print(bitText)
        
        initTrans=[0 for i in range(64)]#初始化，用于存放IP置换后的结果
        
        #------------------进行初始IP置换---------------
        for i in range(64):
            initTrans[i]=bitText[IP_table[i]-1]
        #将64位明文分为左右两部分
        L=[initTrans[i] for i in range(32)]
        R=[initTrans[i] for i in range(32,64)]


        
        #-----------------开始16轮的循环-----------------
        for i in range(15,-1,-1):
            tempR=R #用于临时盛放R
            
            #-----------进行扩展，将32位扩展为48位--------
            for j in range(48):
                extendR[j]=R[extend_table[j]-1]
                
            keyi=[keyResult[j] for j in range(i*48,i*48+48)]
            #----------与key值进行异或运算----------------
            XORResult=[0 for j in range(48)]
            for j in range(48):
                if keyi[j]!=extendR[j]:
                    XORResult[j]=1
            
            SResult=[0 for k in range(32)]
             #---------开始进行S盒替换-------------------          
            for k in range(8):
                row=XORResult[k*6]*2+XORResult[k*6+5]
                column=XORResult[k*6+1]*8+XORResult[k*6+2]*4+XORResult[k*6+3]*2+XORResult[k*6+4]
                temp=S[k][row*16+column]
                for m in range(4):
                    SResult[k*4+m]=(temp>>m)&1
             #-----------------------------------------
            PResult=[0 for k in range(32)]
            #--------------开始进行P盒置换----------------
            for k in range(32):
                PResult[k]=SResult[P_table[k]-1]
            #------------------------------------------


            #--------------与L部分的数据进行异或------------
            XORWithL=[0 for k in range(32)]
            for k in range(32):
                if L[k]!=PResult[k]:
                    XORWithL[k]=1
            #----------------------------------------------


            #-------------将临时保存的R部分值，即tempR复制给L------
            L=tempR
            R=XORWithL
            
        #----交换左右两部分------
        L,R=R,L
        
        #-----合并为一部分
        tempText=L
        tempText.extend(R)
        #-----------IP逆置换--------
        for k in range(64):
            finalTextOfBit[k]=tempText[_IP_table[k]-1]
        finalTextOfUnicode=bit2unicode(finalTextOfBit,len(finalTextOfBit))
#        print(finalTextOfUnicode)
        finalTextOfChar=unicode2char(finalTextOfUnicode,len(finalTextOfUnicode))
#        print(finalTextOfChar)
        return finalTextOfChar 
     
    
def main():
    
    text=input("请输入要操作的文本:  ")
    print(" ".join(["输入的文本时",text]))
    optionType=input("请选择是进行加密还是解密，加密输入0，解密输入1:  ")
    while(not(optionType=='0' or optionType=='1')):
        print("Wrong!!!选择的操作类型只能是0或者是1")
        optionType=input("请选择是进行加密还是解密，加密输入0，解密输入1:  ")
    length=len(text)

    Result=""
    if optionType=='0':
#        f=open('D:\encyptText.txt','w')
 #----------若输入文本的长度不是4的整数倍，即不是64字节的整数倍，用空格补全（此处为了加密中文，用的是unicode编码，即用16字节表示一个字符）-------
        text=text+(length%4)*" "
        length=len(text)
        key=input("请输入8位加密密码: ")
        
        while(len(key)!=8):
            print("wrong!!请输入8位密码")
            key=input("请输入8位加密密码: ")
            
        print("加密后的文本：",end=" ")            
        for i in range(int(length/4)):
            tempText=[text[j] for j in range(i*4,i*4+4)]
            Result="".join([Result,DES(tempText,key,int(optionType))])
#            f.write(Result)
        print(Result) 

    if optionType=='1':
 #----------若输入文本的长度不是8的整数倍，即不是64字节的整数倍，用空格补全（此处解密出来的密文用的是每8bit转换为一个ascii码，所以生成的八位表示的字符）-------
#        text=text+(length%8)*" "
        length=len(text) 
        key=input("请输入8位解密密码: ")
        while(len(key)!=8):
            print("wrong!!请输入8位密码")
            key=input("请输入8位解密密码: ")
            
        print("解密后的文本：",end=" ")
        for i in range(int(length/8)):
            tempText=[text[j] for j in range(i*8,i*8+8)]
            Result="".join([Result,DES(tempText,key,int(optionType))])
        print(Result)

六、运行截图

DES加密解密算法之python实现版(图文并茂)

图13

七、后记

1、要用于具体项目的话，要把编码格式弄清楚，看你项目中的编码格式是什么，unicode,utf-8,gdb等否则会出错

2、文本输入的时候不能有换行，如果需要换行加一下转换符，调一调

DES加密解密算法之python实现版(图文并茂)

- Author -

冯二阳家的刘小洋

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