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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_resultdef 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listresult = [] # 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intresult = bytes(list_int).decode() # 将列表转成bytes，在进行解码，得到字符串return resultdef __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_intdef __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_keyprint("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_resultdef __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_leftright_key = move_rightmove_key = left_key + right_keyki = self.__substitution(move_key, self.k2)keys.append(ki)return keysdef __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 resultdef __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)) + resresult += resreturn resultdef __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 = rightf_result = self.__f_funtion(right, key_list[i])next_right = self.__xor_function(left, f_result)left = next_liftright = next_rightbin_plaintext_result = left + rightreturn 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("")
