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对称加密算法DES的实现

一、实验目的

1、了解对称密码体制基本原理

2、掌握编程语言实现对称加密、解密

二、实验原理

       DES 使用一个 56 位的密钥以及附加的 8 位奇偶校验位,产生最大 64 位的分组大小。这是一个迭代的分组密码,使用称为 Feistel 的技术,其中将加密的文本块分成两半。使用子密钥对其中一半应用循环功能,然后将输出与另一半进行“异或”运算;接着交换这两半,这一过程会继续下去,但最后一个循环不交换。DES 使用 16 个循环,使用异或,置换,代换,移位操作四种基本运算。DES算法的入口参数有三个:Key、Data、Mode。Key为8个字节共64位,是DES算法的工作密钥;Data也为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:加密或解密。

三、实验代码

class DES():
    # 初始化DES加密的参数
    def __init__(self,key: str):
        # 初始数据置换表IP,用于初始IP置换
        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,
        ]
        # 密钥初始置换表PC_1,用于获得最初的56位密钥
        self.PC_1 = [
            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,
        ]
        # 密钥压缩置换表PC_2,用于获得子密钥
        self.PC_2 = [
            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,
        ]
        # 密钥每一轮的对应左移位数
        self.k0 = [1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, ]
        # E扩展表,用于将右半部分数据Rn从32位置换成48位
        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,
        ]
        # S盒,将48位数据代替为32位数据
        self.S = [
            [
                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,
            ],
            [
                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,
            ],
            [
                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,
            ],
            [
                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,
            ],
            [
                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,
            ],
            [
                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,
            ],
            [
                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,
            ],
            [
                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,
            ],
        ]
        # P盒置换表,S盒代替运算的32位输出按照P盒进行置换
        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,
        ]
        # 最终置换表IP_1,用于逆置换
        self.IP_1 = [
            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,
        ]
        # 设置密钥
        self.K = self.convert_to_2(key)
    # 进制转换——字符串转为二进制
    def convert_to_2(self, string: str) -> str:
        # 将字符串转成bytes类型,再转成list
        str_list = list(bytes(string, 'utf8'))
        result = []
        for num in str_list:
            # 用bin(num)将当前字节转换为二进制,然后使用[2:]切片操作去掉二进制字符串前面的"0b"标识。
            # 用zfill(8)函数给二进制字符串添加前导零,确保二进制字符串长度为8位
            # 一个字节由8个二进制位组成,保持一致性
            result.append(bin(num)[2:].zfill(8))
        # 将结果列表中的所有二进制字符串连接
        return "".join(result)

    # 进制转换——二进制转成字符串
    def convert_to_str(self, binary: str) -> str:
        # 将二进制字符串分组,每8位为一组
        bin_list = [binary[i:i + 8] for i in range(0, len(binary), 8)]
        # 存储每个8位二进制数字所代表的整数值
        list_int = []
        for b in bin_list:
            # 将当前8位二进制数转换为对应的十进制整数
            list_int.append(int(b, 2))
        # 将整数列表转换为字节序列,再解码得到字符串
        result = bytes(list_int).decode()
        return result

    # 对明文二进制进行分块,每64位为一块
    def get_block(self, binary: str) -> list:
        # 首先获取给定二进制字符串的长度
        len_binary = len(binary)
        if len_binary % 64 != 0:
            # 如果不能整除,说明按每64块分块不能刚好分块,需要添加前导零。
            new_binary = ("0" * (64 - (len_binary % 64))) + binary
            # 分块
            return [new_binary[i:i + 64] for i in range(0, len(new_binary), 64)]
        else:
            # 能被64整除,就不用补零,直接分块
            return [binary[j:j + 64] for j in range(0, len(binary), 64)]

    # 按照给定的置换表进行置换
    def replace(self, table: str, replace_table: list) -> str:
        new_table = ""
        for i in replace_table:
            # 因为列表的索引是从0开始的,而替换表中的位置索引是从1开始的,所以需要进行减1的操作。
            new_table += table[i - 1]
        return new_table

    # 返回加密过程中16轮的子密钥
    def get_sonkey(self):
        # 56位密钥由密钥初始置换表(PC_1)置换默认密钥获得
        key = self.replace(self.K, self.PC_1)
        # 将56位的密钥分成两部分,每部分28位
        left_key = key[0:28]
        right_key = key[28:56]
        # 存储子密钥
        keys = []
        for i in range(0, 16):
            # 由轮换表确定当前轮次的移动次数
            move = self.k0[i]
            # 对左右部分分别进行移位操作
            move_left = left_key[move:28] + left_key[0:move]
            move_right = right_key[move:28] + right_key[0:move]
            # 更新left_key和right_key
            left_key = move_left
            right_key = move_right
            # 合并形成当前轮次的子密钥
            move_key = left_key + right_key
            # 按照密钥压缩置换表(PC_2)进行置换,得到长度为48位的子密钥ki,并将其添加到keys列表中。
            ki = self.replace(move_key, self.PC_2)
            keys.append(ki)
        # 返回加密过程中的16轮子密钥。
        return keys

    # 异或操作
    def xor(self, xor1: str, xor2: str):
        size = len(xor1)
        result = ""
        for i in range(0, size):
            result += '0' if xor1[i] == xor2[i] else '1'
        return result

    # S盒代替
    def s_box(self, xor_result: str):
        result = ""
        # 迭代8轮,每轮处理6位二进制数据
        for i in range(0, 8):
            # 将48位数据分为8组,循环进行
            block = xor_result[i * 6:(i + 1) * 6]
            # 首尾比特得行数
            line = int(block[0] + block[5], 2)
            # 中间四位比特得列数
            column = int(block[1:5], 2)
            # 在S盒中查找,将所得转为二进制并通过[2:]切片去除二进制字符串的前缀"0b"
            res = bin(self.S[i][line * column])[2:]
            if len(res) < 4:
                # 如果结果的长度不足4位,则在左边用'0'进行填充
                res = '0' * (4 - len(res)) + res
            result += res
        # result中存储了经过S盒替换后的32位二进制数据
        return result

    # F函数,进行E扩展,与key异或操作,S盒替代及P盒置换操作后返回32位01字符串
    def F_function(self, right: str, key: str):
        # 对right进行E扩展
        e_result = self.replace(right, self.E)
        # 与key 进行异或操作
        xor_result = self.xor(e_result, key)
        # 进入S盒子
        s_result = self.s_box(xor_result)
        # 进行P置换
        p_result = self.replace(s_result, self.P)
        return p_result

    # 16轮迭代加密
    def iteration(self, bin_plaintext: str, key_list: list):
        # 分组切分
        left = bin_plaintext[0:32]
        right = bin_plaintext[32:64]
        for i in range(0, 16):
            # L(n) = R(n-1)
            # R(n) = L(n-1)⊕F(R(n-1),K(n))
            next_left = right
            f_result = self.F_function(right, key_list[i])
            next_right = self.xor(left, f_result)
            left = next_left
            right = next_right
        # 最后R在左边,L在右边
        return right + left

    # DES加密函数
    def encrypt(self, plaintext):
        # 将给定明文转换为二进制
        plaintext_2 = self.convert_to_2(plaintext)
        # 将二进制明文分为64位一组的块
        plaintext_block = self.get_block(plaintext_2)
        # 存储加密后的分组
        ciphertext_block = []
        # 获取生成的16个子密钥列表
        key_list = self.get_sonkey()
        for block in plaintext_block:
            # 初代IP置换
            replaced_IP = self.replace(block, self.IP)
            # 16轮迭代操作
            ite_result = self.iteration(replaced_IP, key_list)
            # 逆IP置换
            replaced_IP_1 = self.replace(ite_result, self.IP_1)
            # 密文块replaced_IP_1添加到ciphertext_block列表中,以便后续拼接
            ciphertext_block.append(replaced_IP_1)
        ciphertext = ''.join(ciphertext_block)
        return ciphertext

    #DES解密函数
    def decrypt(self, ciphertext):
        # 存储解密后的分组
        plaintext_block = []
        # 获取生成的16个子密钥列表
        key_list = self.get_sonkey()
        # 解密时密钥的使用顺序与加密时的顺序应当相反。
        key_list = key_list[::-1]
        # 将二进制密文分为64位一组的块
        ciphertext_block = [ciphertext[i:i + 64] for i in range(0, len(ciphertext), 64)]
        for block in ciphertext_block:
            # 初代IP置换
            replaced_IP = self.replace(block, self.IP)
            # 16轮迭代操作
            ite = self.iteration(replaced_IP, key_list)
            # 逆IP置换
            replaced_IP_1 = self.replace(ite, self.IP_1)
            # 明文块replaced_IP_1添加到plaintext_block列表中,以便后续拼接
            plaintext_block.append(replaced_IP_1)
        # 拼接,并移除其中的所有全零块。
        # 消除加密过程中可能引入的填充块,使得最终的二进制明文表示更加紧凑和直观。
        plaintext = ''.join(plaintext_block).replace('00000000', '')
        # 将二进制明文转为字符串返回
        return self.convert_to_str(plaintext)

def main():
    #select = input("输入1加密;输入2解密;输入3退出程序;请输入:\n")
    while True:
        select = input("输入1加密;输入2解密;输入3退出程序;请输入:\n")
        if select == '1':
            plaintext = input("输入要加密的明文:")
            key = input("输入要加密的密钥:")
            des = DES(key)  # 创建DES对象时传入密钥
            ciphertext = des.encrypt(plaintext)
            print("加密得:{}".format(ciphertext))
        elif select == '2':
            ciphertext = input("输入要解密的密文:")
            key = input("输入要解密的密钥:")
            des = DES(key)  # 创建DES对象时传入密钥
            plaintext = des.decrypt(ciphertext)
            print("解密得:{}".format(plaintext))
        elif select == '3':
            break
        else:
            print("重新选择!")
            select = input("输入1加密;输入2解密;输入3退出程序;请输入:\n")  # 重新获取选择

if __name__ == '__main__':
    main()

 四、运行结果


http://www.kler.cn/a/398022.html

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