DES算法解析
DES算法
加密流程
下面将对第一轮进行详细解析，每一轮的加密逻辑都是一样的
首先输入数据是64bit的，首先进行一次ip置换，得到一个置换的64bit的数据，下图是置换表
得到的64bit数据拆分为两组各为32bit的数据L0和R0,第一轮时，将R0直接作为第二轮的L1。
这时候的R1较为复杂，分为2步生成。
1.R0与第一次传进来的密钥K1进行一次轮函数f的运算，得到一个32bit的新数据，暂定为t0
2.t0与L0进行异或运算，得到一个R1。
对轮函数f进行分析
首先传进来的K1是一个48bit的数据，而R0是32bit的数据，所以存在一定的置换关系
1.首先对R0这个32bit的数据进行一个扩展置换E，即下图：
2.此时得到的扩展后的R0记作R0'，再将R0'与传进来的轮密钥K1进行异或操作，得到一个异或后的48bit的数据
3.再将这个异或后的48Bit数据进行分组，每6个bit为一组，总共8组。这8组数据都放入S盒中
4.S盒的实现
所以S盒是一个输入6bit，输出4bit的一个算法。
5.这时候，8组数据都经过S盒的变换后，得到一个8组4bit,总共32bit的数据，最后进行一次置换P，这就是上文提到的t0。
P置换的图片如下：
重复上述的过程，一直进行16轮的操作，此刻就有了L16和R16两组32bit的数据，将他们合起来最后进行一次IP逆置换，得到最终数据
此刻就有了一直存在的问题：明明密钥是64bit的数据，为何每一轮的轮密钥是48bit的呢，下面就是一个解答：
这也是关键的子密钥K的生成
1.也以第一轮示例：首先64bit的数据进行一次PC-1的压缩，得到56bit。
2.分为两组各28bit，对两组各自进行一次循环移动，移动的位数根据轮数不同也不一样，具体移动参考左列的表格。
3.移动后的数据相合56bit进行一次PC-2的压缩，得到48bit，这就是得到的轮密钥K1。
4.移动后的数据不变，作为第二轮的数据，重复循环移动的过程。
5.PC-1：
PC-2：
上述的加密逻辑梳理就已经结束了，不妨总结一下：
DES的优缺点
优点：
安全性高：DES算法使用密钥进行加密和解密，相同的明文使用不同的密钥加密后得到的密文是不同的。密钥越长，加密的安全性就越高。
算法简单：DES算法的加密和解密过程非简单，基于对称加密，使用相同的key进行加解密。
适用广泛：DES算法是最早也是最广泛使用的加密算法之一，被广泛应用于电子商务、电子邮件、虚拟私人网络等领域，具有广泛的适用性和可移植性。
缺点：
密钥长度较短：DES算法使用56位密钥，虽然在当时足够安全，但在当前计算机的处理能力下，已经不足以保证加密的安全性，易受到暴力破解攻击。
无法抵抗差分密码分析攻击：DES算法无法抵抗差分密码分析攻击，这种攻击可以通过比较相同明文的密文，分析加密算法的行为并推断出密钥。
比较慢：由于DES算法是一种分组密码算法，需要对64位的明文进行加密，加密速度比较慢，不适用于对大量数据进行实时加密和解密。
DES的代码实现
点击查看代码
import re
# ========================================
# 一、子密钥生成
# (1) 初始置换 64->56
# 64位的种子密钥经过PC_1置换后，生成56位的密钥
# (2) 划分 56->(28,28)
# 经过初始置换后的56位密钥被均分成C0和D0两部分
# (3) 循环左移
# 第一轮，C0和D0根据移位次数表各自进行循环左移
# 得到C1和D1
# 每一轮的C和D值是由上一轮的C和D值循环左移得到的
# (4) 合并 (28,28)->56->48
# 左移后的两部分再次合并,通过一个选择压缩表(PC_2)
# 得到这一轮的子密钥
# (5)重复3、4操作,最终得到16个子密钥
# ========================================
# 置换选择表1(PC_1) 64->56
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
]
# 选择压缩表2(PC_2) 56->48
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
]
# 移位次数表
shift_num = [1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1]
def pc_1_change(bin_key):
"""初始置换
64位的种子密钥经过PC_1置换后，生成56位的密钥
"""
return [bin_key[i - 1] for i in PC_1] # 列表形式
def shift_left(bin_key, num):
"""实现C和D的循环左移"""
return bin_key[num:] + bin_key[:num]
def pc_2_change(bin_key):
"""选择压缩
56位的密钥经过PC_2压缩，生成48位子密钥
"""
return ''.join([bin_key[i - 1] for i in PC_2]) # 列表转字符串
def get_subkey_list(bin_key):
"""生成16轮的加解子密钥"""
subkey_list = [] # 存储16轮子密钥
# 1. 初始置换 64->58
temp = pc_1_change(bin_key)
# 2. 循环左移
for i in shift_num:
temp[:28] = shift_left(temp[:28], i) # C部分循环左移
temp[28:] = shift_left(temp[28:], i) # D部分循环左移
subkey_list.append(pc_2_change(temp)) # 生成子密钥
return subkey_list
# ========================================
# 二、DES加解密实现
# ========================================
# 初始置换表IP 64->64
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
]
# 逆置换表_IP 64->64
_IP = [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
]
# 扩展置换表E 32->48
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 48->32
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
]
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
]
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
]
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
]
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
]
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
]
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
]
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 = [S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8]
# P盒
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
]
# encrypt
def ip_change(bin_text):
"""初始置换"""
return [bin_text[i - 1] for i in IP]
def s_box(bin_result):
"""S盒替换"""
int_result = []
result = ''
for i in range(8):
# 二进制行号
bin_row = bin_result[i][0] + bin_result[i][5]
# 二进制列号
bin_col = ''.join(bin_result[i][j] for j in range(1, 5))
# 获取对应的十进制数
int_result.append(S[i][16 * int(bin_row, base=2) + int(bin_col, base=2)])
# 十进制转成二进制
result += bin(int_result[-1])[2:].zfill(4)
return result
def p_box(result):
"""P盒置换"""
return ''.join(result[i - 1] for i in P)
def f(R, bin_key):
"""轮函数f()"""
# 1.将R由32位扩展成48位
R_ext = [R[i - 1] for i in E]
# 2.与子密钥进行逐位异或
bin_temp = [str(int(r) ^ int(k)) for r, k in zip(R_ext, bin_key)]
# 6个字符为一组，共8组
bin_result = [''.join(bin_temp[i:i + 6]) for i in range(0, len(bin_temp), 6)]
# 3.S盒替换 48->32
result = s_box(bin_result)
# 4.P盒置换 32->32
return p_box(result)
def _ip_change(bin_text):
"""进行IP-1逆置换"""
return ''.join(bin_text[i - 1] for i in _IP)
def des_cipher(bin_text, bin_key, reverse_keys=False):
"""通用DES加密解密函数"""
# 1. 初始置换IP
bin_text = ip_change(bin_text)
# 2. 分成左右两部分L、R
L, R = bin_text[:32], bin_text[32:]
# 3. 获得16轮子密钥
subkey_list = get_subkey_list(bin_key)
if reverse_keys:
subkey_list = subkey_list[::-1] # 解密时反转子密钥列表
# 4. 进行16轮迭代
for i in subkey_list:
R_temp = R
# 轮函数f()结果和L进行异或
R = ''.join(str(int(r) ^ int(l)) for r, l in zip(f(R, i), L))
L = R_temp
# 5. 进行IP-1逆置换 64->64
return _ip_change(R + L) # 输出二进制字符串
# 使用示例
def str2bin(text):
"""字符串转二进制字符串"""
return ''.join(bin(byte)[2:].zfill(8) for byte in text.encode())
def bin2str(bin_text):
"""二进制字符串转字符串"""
# 1.将二进制字符串按8位分割，并转换为字节数组
byte_array = bytearray(int(i, 2) for i in re.findall(r'.{8}', bin_text) if int(i, 2) != 0)
# 2.将字节序列解码为字符串
return byte_array.decode()
def is_valid_key(key):
"""检查密钥是否有效 64bit"""
return len(key.encode()) == 8
def des_encrypt(plaintext, key):
"""DES加密"""
# 1.明文转成二进制字符串, 0填充至64的倍数
bin_plaintext = str2bin(plaintext)
padding_len = (64 - (len(bin_plaintext) % 64)) % 64
bin_padding_plaintext = bin_plaintext + '0' * padding_len
# 2.进行64位分组加密
bin_group_64 = re.findall(r'.{64}', bin_padding_plaintext)
bin_ciphertext = ''
for g in bin_group_64:
bin_ciphertext += des_cipher(g, str2bin(key))
# 3.密文转为16进制输出
bin_group_4 = re.findall(r'.{4}', bin_ciphertext)
hex_ciphertext = ''
for g in bin_group_4:
hex_ciphertext += format(int(g, 2), 'x')
return hex_ciphertext
def des_decrypt(hex_ciphertext, key):
"""DES解密"""
# 1.16进制密文转为2进制字符串
bin_ciphertext = ''.join(bin(int(h, 16))[2:].zfill(4) for h in hex_ciphertext)
# 2.进行64位分组解密
bin_group_64 = re.findall(r'.{64}', bin_ciphertext)
bin_deciphertext = ''
for g in bin_group_64:
bin_deciphertext += des_cipher(g, str2bin(key), reverse_keys=True)
# 3.将解密密文转为字符串输出
return bin2str(bin_deciphertext)
def des_run():
"""DES启动界面"""
flag = True
while flag:
print('=' * 3, "DES加密解密", '=' * 3)
print('[1]加密')
print('[2]解密')
print('[0]退出')
choice = input('请输入你的选择：')
match choice:
case '0':
flag = False
case '1':
plaintext = input('请输入明文:')
key = input('请输入密钥(64bit):')
if not is_valid_key(key):
print('密钥长度错误')
continue
ciphertext = des_encrypt(plaintext, key)
print(f'密文:{ciphertext}')
case '2':
ciphertext = input('请输入密文:')
key = input('请输入密钥(64bit):')
if not is_valid_key(key):
print('密钥长度错误')
continue
print(f'解密:{des_decrypt(ciphertext, key)}')
case _:
print('输入错误')
print('=' * 15)
if __name__ == '__main__':
des_run()
3DES算法
顾名思义，就是对明文进行3次DES加密的过程，只要熟悉了DES就很简单了
加密流程
浙公网安备 33010602011771号