DES加密解密算法之python实现版(图文并茂)
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
图一
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：
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
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。
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：
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
图七
S盒介绍，以第六个S盒，S6为例
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：
图九
5 最后讲一下重头戏——16轮秘钥生成
先上个图
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
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
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
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
