分組密碼——DES加密解密(Python實現)

​ DES(Data Encryption Standard)採用64位的分組長度和56位的密鑰長度。它將64位的輸入經過一系列變換得到64爲的輸出。解密使用相同的步驟和相同的密鑰，唯一不同的是密鑰順序與加密過程相反。

DES加密：

​ 該算法的輸入有需要加密的明文和加密使用的密鑰，二者長度都爲64位。其中密鑰的第8,16,24,32,40,48,56,64位爲奇偶校驗位。

1、明文的處理

​ 將明文讀入程序並將其化爲二進制串

def inputText(filename):
    with open(filename,'r')as f:
        text = f.read()
    text = text.split('\n')
    text = [eval(x) for x in text]
    text = ['{:08b}'.format(x) for x in text]
    text = ''.join(text)
    
    return text

​ 對明文進行IP置換，並劃分爲左右兩個子串

def IP_Transposition(plaintext):
    LR = []
    for i in IP:
        LR.append(int(plaintext[i-1]))
    L = LR[:32]
    R = LR[32:]
    return L,R

2、對密鑰的處理

​ 將密鑰讀入程序並以二進制串的形式存儲

​ 對密鑰進行PC-1置換，並劃分爲兩個子串

#密鑰置換
def Key_Transposition(key):
    CD = []
    for i in PC_1:
        CD.append(int(key[i-1]))
    C = CD[:28]
    D = CD[28:]
    return C,D

​ 在生成迭代所需要的密鑰之前需要對密鑰進行置換壓縮

#密鑰壓縮
def Key_Compress(C,D):
    key = C+D
    new_key = []
    for i in PC_2:
        new_key.append(key[i-1])
    return new_key

​ 生成DES每輪迭代所需要的子密鑰，以便加密解密時直接使用

def generateKset(key):
    key = inputKey(key)
    C,D = Key_Transposition(key)
    K = []
    for i in LeftRotate:
        C = Key_LeftRotate(C,i)
        C = Key_LeftRotate(D,i)
        K.append(Key_Compress(C,D))
    return K

3、F函數

在每輪變換中，整個過程可以用以下公式表示：

$$ L_i = R_{i-1} $$

$$ R_i = L_{i-1}\bigoplus F(R_{i-1},K_i) $$

其中輪密鑰 Ki長48位,R長32位，首先將R置換擴展爲48位,這48位與Ki異或，得到的結果用替代函數作用產生32位的輸出。這32位的輸出經P置換後與L異或得到新的R

代替函數由8個S盒來組成，每個S盒都有6位的輸入和4位的輸出。對每個S盒，輸入的第一位和最後一位組成一個2位的二進制數，用來選擇S盒4行替代值中的一行，中間4位用來選擇16列中的某一列。

#明文R擴展爲48位
def R_expand(R):
    new_R = []
    for i in E:
        new_R.append(R[i-1])
    return new_R

#將兩列表元素異或
def xor(input1,input2):
    xor_result = []
    for i in range(0,len(input1)):
        xor_result.append(int(input1[i])^int(input2[i]))
    return xor_result

#將異或的結果進行S盒代替
def S_Substitution(xor_result):
    s_result = []
    for i in range(0,8):
        tmp = xor_result[i*6:i*6+5]
        row = tmp[0]*2+tmp[-1]
        col = tmp[1]*8+tmp[2]*4+tmp[3]*2+tmp[4]
        s_result.append('{:04b}'.format(S[i][row][col]))
    s_result = ''.join(s_result)
    return s_result
#F函數
def F(R,K):
    new_R = R_expand(R)
    R_Kxor= xor(new_R,K)
    s_result = S_Substitution(R_Kxor)
    p_result = P_Transposition(s_result)
    return p_result

#將S盒代替的結果進行P置換
def P_Transposition(s_result):
    p_result = []
    for i in P:
        p_result.append(int(s_result[i-1]))
    return p_result

4、加密過程

DES加密需要經過16輪迭代，前15輪迭代每次結束需要交換L和R，第16次不交換

def DES_encrypt(filename,key,outputFile):
    #從文件中讀取明文
    plaintext = inputText(filename)
    #將明文進行置換分離
    L,R = IP_Transposition(plaintext)
    #生成Kset
    K = generateKset(key)
    for i in range(0,15):
        oldR = R
        #F函數
        p_result = F(R,K[i])
        R = xor(L,p_result)
        L = oldR
    p_result = F(R,K[15])
    L = xor(L,p_result)
    #IP逆置換
    reversedP = IP_reverseTransp(L+R)
    #生成16進製表示的密文
    Cipher = generateHex(reversedP)
    #將密文寫入outputFile文件
    writeFile(outputFile,Cipher)
    return Cipher

DES解密：

def DES_decrypt(filename,key,outputFile):
    #文件中讀取密文
    Ciphertext = inputText(filename)
    #將密文進行置換分離
    L,R = IP_Transposition(Ciphertext)
    #生成Kset
    K = generateKset(key)
    for i in range(15,0,-1):
        oldR = R
        #F函數
        p_result = F(R,K[i])
        R = xor(L,p_result)
        L = oldR
    
    p_result = F(R,K[0])
    L = xor(L,p_result)
    reversedP = IP_reverseTransp(L+R)
    plaintext = generateHex(reversedP)
    writeFile(outputFile,plaintext)
    return plaintext

源碼地址 https://github.com/SuQinghang...