原始明文消息的处理：最后的分组不足64位时，填充的字节为缺失的字节数目。

明文分组结构：$M = m_1m_2…m_{64} \,, m_i ∈ {0， 1}，i= 1…64 $

密文分组结构： $C = c_1c_2…c_{64} \,, c_i ∈ {0， 1}，i= 1…64 $

密钥结构:$K = k_1k_2…k_{64} \,, k_i ∈ {0， 1}，i= 1…64 $

加密过程：

64位原始密文M经IP初始置换得到$IP(M)$

解密过程：

加密逆向进行分析。和加密不同的是，子密钥调度过程为逆序，其他一致。

初始置换：

给定一个固定的初始置换IP矩阵来重排明文块M中的二进制位。得到二进制串$M_0 = IP (M) = L_0R_0$

迭代规则：交叉迭代。$L_i = R_{i-1} \,\, R_i = L_{i-1} \bigoplus f(R_{i - 1}, K_i)$. $K_i$为子密钥，长度为$$K_i\,, f$$为$$fiestel$$ 轮函数。

16次迭代后产生$L_{16}R_{16}$

左右交换输出$R_{16}L_{16}$

逆置换

$P^{-1}$ $C = IP^{-1}(R_{16}L_{16})$

轮函数$f(R_{i-1}, K_i)$

密码函数 f(R, K) 接受两个输入：32 位的数据和 48 位的子密钥。然后：

通过表 E 进行 扩展置换 （表），将输入的 32 位数据扩展为 48 位；

将扩展后的 48 位数据与 48 位的子密钥进行 异或 运算；

将异或得到的 48 位数据分成 8 个 6 位的块，每一个块通过对应的一个 S 表产生一个 4 位的输出。其中，每个 S 表都是 4 行 16 列。 具体的置换过程如下： 把 6 位输入中的第 1 位和第 6 位取出来行成一个两位的二进制数 x ，作为 Si 表中的行数（0~3）；把 6 位输入的中间 4 位构成另外一个二进制数 y，作为 Si 表的列数（0~15）；查出 Si 盒表（8 4 16 的矩阵）中 x 行 y 列所对应的整数，将该整数转换为一个 4 位的二进制数。

把通过 S 表置换得到的 8 个 4 位连在一起，形成一个 32 位的数据。然后将该 32 位数据通过表 P 进行置换（称为P-置换），置换后得到一个仍然是 32 位的结果数据，这就是 f(R, K) 函数的输出。

子密钥生成

1. 对密钥K中的56个非校验位实现PC-1置换，得到$C_0D_0$,即置换后的前28位和后28位。

2. 对$C_{i-1} D_{i-1}$ 分别进行循环左移操作，得到$C_{i}D_{i}$,当$i = 1，2，9，16$时二进制串左移一个位置，否则左移两个位置。

3. 对56位的$C_iD_i$ 实行PC-2压缩置换，得到48位的$K_i$ 。 然后$i++$。

4. 如果已经得到$K_{16}$，密码调度结束，否则转步骤2.

   两个表：压缩置换表PC-1 PC-2

   二、 代码模块

   核心函数展示和描述

   由于解密函数需要的模块基本与加密一致，所以不做呈现。

   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

   #####加密总函数############################################################################ # 1. 初始置换 2. 交叉迭代 3. 逆置换 def Encryption(plainText, secretKey): if PRINT_FLAG == True: print("> 开始加密64位明文") M = list(plainText) L0, R0 = InitialPermutation(M) RL = CrossIterationInEncryption(L0, R0, secretKey) cipherText = "".join(InversePermutation(RL)) return cipherText ##############################################################################################

   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

   ######表格置换函数########################################################################### """ function: transfrom the binaryStr with the giver permutation table condition: len(binaryStr) == len(PermutationTable) return: the permutated binary List. """ # 传入01字符串列表和置换表，返回置换结果 def Permutation(binaryStr, PermutationTable): length = len(PermutationTable) PermutatedList = [] for i in range(0, length): PermutatedList.extend(binaryStr[PermutationTable[i] - 1]) return PermutatedList ############################################################################################

   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

   #########加密过程的的交叉迭代#################################################################### """ function: make cross iteration on L0, R0 for 16 times input: L0--the front 32 bits of 64-bits plain text , R0--the back 32 bits of plain text return: R16--the back iterated 32-bits result, L16--the front iterated 32-bits result """ # 16次交叉迭代，返回RL列表用于逆置换。 def CrossIterationInEncryption(L_0, R_0, SecretKey): if PRINT_FLAG == True: print("> 正在进行加密过程的交叉迭代") R = "" L = "" tmp_R = R_0 tmp_L = L_0 sonKeyList = createSonKey(SecretKey) for i in range(1,17): L = tmp_R R = XOROperation(tmp_L,Feistel(tmp_R,sonKeyList[i - 1])) tmp_R = R tmp_L = L RL = R + L return RL ##############################################################################################

   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

   ####创建子密钥################################################################################## """ function: create the 16 son keys with the given key return: sonKeysList: 16 son keys list """ def createSonKey(SecretKey): # 提取密钥中的非校验位 if PRINT_FLAG == True: print("> 正在生成16个子密钥") str_56_bits_List = list(SecretKey) sonKeyList = [] # 进行PC-1置换 Temp_PC_1_PermutationResult_C_i_1, Temp_PC_1_PermutationResult_D_i_1 = PC_1_Permutation(str_56_bits_List) C_i = [] D_i = [] for i in range(1, 17): # C_i-1 D_i-1 # 计算C_i D_i # 循环左移 if i == 1 or i == 2 or i == 9 or i == 16: C_i = shiftLeft(Temp_PC_1_PermutationResult_C_i_1, 1) D_i = shiftLeft(Temp_PC_1_PermutationResult_D_i_1, 1) else: C_i = shiftLeft(Temp_PC_1_PermutationResult_C_i_1, 2) D_i = shiftLeft(Temp_PC_1_PermutationResult_D_i_1, 2) CD = C_i + D_i # PC2压缩置换 sonKey_i = PC_2_Permutation(CD) sonKeyList.append(sonKey_i) Temp_PC_1_PermutationResult_C_i_1 = C_i Temp_PC_1_PermutationResult_D_i_1 = D_i if i == 16: break return sonKeyList ##############################################################################################

   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

   #####Feistel 函数############################################################################# """ function: Feistel function to create bit-stR_ing to permute with R_i -- a 32-bit stR_ing input: R_i_1--the (i-1)th back 32 bits string, K_i--the son secret key return: Feistel result (string type) """ # 轮函数：1. E扩展置换； 2. 扩展结果和子密钥进行异或运算 3. 进行S盒6-4转换 def Feistel(R_i_1, K_i): if PRINT_FLAG == True: print("> 正在执行feistel轮函数") E_ExpandResult = E_Expand(R_i_1) xorResult = XOROperation(E_ExpandResult, K_i) str_32_bits = [] for i in range(8): str_6_bits = xorResult[i * 6: i * 6 + 6] str_32_bits += S_Box_Transformation(str_6_bits, i + 1) return "".join(P_Permutation(str_32_bits)) ##############################################################################################

   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

   ####随机生成64位key，8个字符##################################################################### """ return: a 64-bits (8 bytes) string as a secret key """ def createSecrteKey(): seed = "1234567890abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ!@#$%^&*()_+=-" key = [] for i in range(8): key.append(random.choice(seed)) randomSecretKey = ''.join(key) return randomSecretKey ################################################################################################

   1 2 3 4 5 6 7

   ##########8个字符的字符串转为ascii，然后转 0 1串#################################### def ToBitString(string_8_char): strList = [] for i in range(8): strList.append(str(int2bin(ord(string_8_char[i]), 8))) return "".join(strList) ##################################################################################

   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

   ########64位bits转为8个ascci字符################################################### def ToAsciiChar(string_64_bits): strList = [] bitList = list(string_64_bits) for i in range(8): if int("".join(bitList[i * 8: i * 8 + 8]), 2) < 8: continue # 八个bit一个处理单元，先转为10进制，然后转ascii，存入列表 strList.append(chr(int("".join(bitList[i * 8: i * 8 + 8]), 2))) return "".join(strList) ##################################################################################

   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

   ############ 加密过程和解密过程 while True: text_8_bytes = PlainTextFile.read(8) # 读取8个ascii字符 if not text_8_bytes: print("读取明文文件到结尾啦") break if len(text_8_bytes) != 8: full_flag = False else: bitString = ToBitString(text_8_bytes) # 8个ascii字符转十进制int，然后再转为64位01 # 加密 encryptStr = Encryption(bitString, secretKeyBitString) # 加密结果写入文件 CipherTextFile.write(str(ToAsciiChar(encryptStr))) # 解密 decryptStr = Decryption(encryptStr, secretKeyBitString) # 解密结果写入文件 DecryptTextFile.write(str(ToAsciiChar(decryptStr))) if full_flag == False: # 如果尾部字节不足8个，那么每个字节都填入缺失的字节数量 NumOfLostBytes = 8 - len(text_8_bytes) bitStringList = [] for i in range(len(text_8_bytes)): bitStringList.append(int2bin(ord(text_8_bytes[i]), 8)) full_8_bits = int2bin(NumOfLostBytes, 8) # 填充的比特串 # 填充的字节数 转为bitstring for i in range(NumOfLostBytes): bitStringList.append(full_8_bits) bitString = "".join(bitStringList) #补全64位分组 # 加密 encryptStr = Encryption(bitString, secretKeyBitString) # 加密结果写入文件 CipherTextFile.write(str(ToAsciiChar(encryptStr))) # 解密 decryptStr = Decryption(encryptStr, secretKeyBitString) # 解密结果写入文件 DecryptTextFile.write(str(ToAsciiChar(decryptStr))) # 读取完整的8个字节分组字节，尾部填充8个字节，取值都为08 if full_flag == True: zero_eight = "00001000" tmpList = [] for i in range(8): tmpList.append(zero_eight) bitString = "".join(tmpList) # 加密 encryptStr = Encryption(bitString, secretKeyBitString) # 加密结果写入文件 CipherTextFile.write(str(ToAsciiChar(encryptStr))) # 解密 decryptStr = Decryption(encryptStr, secretKeyBitString) # 解密结果写入文件 DecryptTextFile.write(str(ToAsciiChar(decryptStr)))

   数据结构说明

   1. 明文，密文，解密后的数据

   从明文文件中读取8个ascii字符，存放在string结构中，然后再转换为64个ascii字符的0 1 字符串作为加密的明文。加密结果和解密结果也是转换为ascii字符串，存放在文件中。

   2. 加密解密过程的0 1 字符串数据

   在实际操作中，由于python中的string不支持赋值以及增删操作，所以通过python里的list即列表来存放字符串，通过list 方便的操作接口来执行加密解密。而string和list之间的转换方式也很简单，如下。

   1 2	List = list(str) # string 转 list str = "".join(List) # list 转string

   三、 完整代码

   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 473 474 475 476 477 478 479 480 481 482 483 484 485 486 487 488 489 490 491 492 493 494 495 496 497 498 499 500 501 502 503 504 505 506 507 508 509 510 511 512 513 514 515 516 517 518 519 520 521 522 523 524 525 526 527 528 529 530 531 532 533 534 535 536 537 538 539 540 541 542 543 544 545 546 547 548 549 550 551 552 553 554 555 556 557 558 559 560 561 562 563 564 565 566 567 568 569 570 571 572 573 574 575 576 577 578 579 580 581 582 583 584 585 586 587 588 589 590 591 592 593 594 595 596 597 598 599 600 601 602 603 604 605 606

   """ Autor: qiuyh contact: [email protected] Date: 18/11/1 Description: achieve an encryption algoriithm -- DES(Data Encryption Standard) Note: To code a nice code ! """ import numpy import random #########文件变量 CIPHER_TEXT_FILE = "cipherText.txt" #密文文件 PLAIN_TEXT_FILE = "plainText.txt" #明文文件 SECRET_KEY_FILE = "secretKey.txt" #密钥文件 DECRYPT_TEXT_FILE = "decryptText.txt" #解密文件 ######## 显示过程变量,为真显示加密步骤 PRINT_FLAG = True ########异或运算################################################################################### """ function:do XOR operation on bits string s1, s2 异或运算 condition: len (s1) == len(s2) return: xorResult -- the xor result and itstype is list """ def XOROperation(s1,s2): length = len(s1) xorResult = [] for i in range(0, length): # 转为int类型0，1比特，进行异或操作后，转为string类型 xorResult.extend(str(int(s1[i]) ^ int(s2[i]))) return xorResult #################################################################################################### ########## int 转 二进制 指定位数##################################################################### def int2bin(n, count=24): """returns the binary of integer n, using count number of digits""" return "".join([str((n >> y) & 1) for y in range(count-1, -1, -1)]) ###################################################################################################### ######表格置换函数################################################################################### """ function: transfrom the binaryStr with the giver permutation table condition: len(binaryStr) == len(PermutationTable) return: the permutated binary List. """ def Permutation(binaryStr, PermutationTable): length = len(PermutationTable) PermutatedList = [] for i in range(0, length): PermutatedList.extend(binaryStr[PermutationTable[i] - 1]) return PermutatedList #################################################################################################### ##循环左移############################################################################################ """ function: to achieve cycle shift n bits. return: the shifted result. """ def shiftLeft(binaryStr, nBits): length = len(binaryStr) nBits = nBits % nBits shiftedList = list(binaryStr) for i in range(0, length): if i < nBits: shiftedList.extend(shiftedList[0]) del shiftedList[0] else: break return shiftedList #################################################################################################### ##字节转比特######################################################################################### def ByteToBit(ByteString): bitList = [] for i in range(0,4): bitList.insert(0, str(ByteString%2)) ByteString = int(ByteString / 2) bitResult = "".join(bitList) return bitResult #################################################################################################### #########初始P置换#################################################################################### InitialPermutationTable=[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] """ function: Initial permutation function input: M_0--64bit plain text block return: L_0--the front 32 bits of M_0 , R0--the back 32 bits of M_0 """ def InitialPermutation(M_0): if PRINT_FLAG == True: print("> 进行初始IP置换") InitialPermutationResult = Permutation(M_0, InitialPermutationTable) L_0 = InitialPermutationResult[0:int((len(InitialPermutationResult)/2))] R_0 = InitialPermutationResult[int((len(InitialPermutationResult)/2)):int(len(InitialPermutationResult))] return L_0, R_0 # List type ############################################################################################## #####PC-1置换######################################################################################### PC_1Table = [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] """ function: PC-1 permutation input: 56 not checked bits of secret ley return: C_0, D_0 """ def PC_1_Permutation(SecretKey): if PRINT_FLAG == True: print("> 进行PC-1 置换") PC_1_PermutationResult = Permutation(SecretKey, PC_1Table) C_0 = PC_1_PermutationResult[0: int(len(PC_1_PermutationResult)/2)] D_0 = PC_1_PermutationResult[int(len(PC_1_PermutationResult)/2): int(len(PC_1_PermutationResult))] return C_0, D_0 ############################################################################################## ########循环左移函数###################################################################################### """ function: do ring shift left on a str_28_bits input: str_28_bits -- a 28 bits string; ShiftFlag -- when it is 1,2,9,16, shift 2 bits return: shift_result """ def RingShiftLeft(str_28_bits, ShiftFlag): shiftResult = "" if ShiftFlag == 1 or ShiftFlag == 2 or ShiftFlag == 9 or ShiftFlag == 16: shiftResult = shiftLeft(str_28_bits, 2) else: shiftResult = shiftLeft(str_28_bits, 1) return shiftResult ############################################################################################## ##########PC-2置换#################################################################################### PC_2Table = [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] """ function: PC-2 compressed permutation input: str_56_bits return: str_48_bits """ def PC_2_Permutation(str_56_bits): if PRINT_FLAG == True: print("> 进行PC-2置换") # 去掉9， 18， 22， 25， 35， 38，43， 54 位 str_48_bits = Permutation(str_56_bits, PC_2Table) return str_48_bits ############################################################################################## ####创建子密钥################################################################################## """ function: create the 16 son keys with the given key return: sonKeysList: 16 son keys list """ def createSonKey(SecretKey): # 提取密钥中的非校验位 if PRINT_FLAG == True: print("> 正在生成16个子密钥") str_56_bits_List = list(SecretKey) sonKeyList = [] # 获取子密钥 Temp_PC_1_PermutationResult_C_i_1, Temp_PC_1_PermutationResult_D_i_1 = PC_1_Permutation(str_56_bits_List) C_i = [] D_i = [] for i in range(1, 17): # C_i-1 D_i-1 # 计算C_i D_i if i == 1 or i == 2 or i == 9 or i == 16: C_i = shiftLeft(Temp_PC_1_PermutationResult_C_i_1, 1) D_i = shiftLeft(Temp_PC_1_PermutationResult_D_i_1, 1) else: C_i = shiftLeft(Temp_PC_1_PermutationResult_C_i_1, 2) D_i = shiftLeft(Temp_PC_1_PermutationResult_D_i_1, 2) CD = C_i + D_i sonKey_i = PC_2_Permutation(CD) sonKeyList.append(sonKey_i) Temp_PC_1_PermutationResult_C_i_1 = C_i Temp_PC_1_PermutationResult_D_i_1 = D_i if i == 16: break return sonKeyList ############################################################################################## ######E扩展置换################################################################################# E_ExpandTable = [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] """ function: E_Expand on the 32 bits R(i-1) string input: R_i_1 -- the (i-1)th back 32 bits string return: E_R_i_1 -- the 48 bits expanded string """ def E_Expand(R_i_1): if PRINT_FLAG == True: print("> 正在进行E扩展置换") E_R_i_1 = Permutation(R_i_1, E_ExpandTable) return E_R_i_1 ############################################################################################## #######S盒置换################################################################################ eight_S_Boxes=[[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, 13,8,10,1,3,15,4,2,11,6,7,12,10,5,14,9,], [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]] """ function: to transfrom a 6-bits string to a 4-bits string with 8 S-Boxes input: six_bits_str -- 6-bits string; S_Box_Num -- indicate the number of the S-Box [1, 8] return: four_bits_str -- 4 bits string group """ def S_Box_Transformation(six_bits_str, S_Box_Num): if PRINT_FLAG == True: print("> 正在通过S盒进行6-4转换") row = int(six_bits_str[0]) * 2 + int(six_bits_str[5]) col = int(six_bits_str[1]) * 8 + int(six_bits_str[2]) * 4 + int(six_bits_str[3]) * 2 + int(six_bits_str[4]) value = eight_S_Boxes[int(S_Box_Num - 1)][int(row * 15 + col)] four_bits_str = list(int2bin(value,4)) return four_bits_str ############################################################################################## ########P扩展置换############################################################################## 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] """ function: P_Permutation on the 32 bits string input: str_32bits -- the 32 bits string List return: FeistelResult -- the output of the feistel function """ def P_Permutation(str_32bits): if PRINT_FLAG == True: print("> 正在进行P置换") FeistelResult = Permutation(str_32bits, P_Table) return FeistelResult ############################################################################################## #####Feistel 函数######################################################################################### """ function: Feistel function to create bit-stR_ing to permute with R_i -- a 32-bit stR_ing input: R_i_1--the (i-1)th back 32 bits string, K_i--the son secret key return: Feistel result (string type) """ def Feistel(R_i_1, K_i): if PRINT_FLAG == True: print("> 正在执行feistel轮函数") E_ExpandResult = E_Expand(R_i_1) xorResult = XOROperation(E_ExpandResult, K_i) str_32_bits = [] for i in range(8): str_6_bits = xorResult[i * 6: i * 6 + 6] str_32_bits += S_Box_Transformation(str_6_bits, i + 1) return "".join(P_Permutation(str_32_bits)) ############################################################################################## #########加密过程的的交叉迭代过程##################################################################################### """ function: make cross iteration on L0, R0 for 16 times input: L0--the front 32 bits of 64-bits plain text , R0--the back 32 bits of plain text return: R16--the back iterated 32-bits result, L16--the front iterated 32-bits result """ def CrossIterationInEncryption(L_0, R_0, SecretKey): if PRINT_FLAG == True: print("> 正在进行加密过程的交叉迭代") R = "" L = "" tmp_R = R_0 tmp_L = L_0 sonKeyList = createSonKey(SecretKey) for i in range(1,17): L = tmp_R R = XOROperation(tmp_L,Feistel(tmp_R,sonKeyList[i - 1])) tmp_R = R tmp_L = L RL = R + L return RL ############################################################################################## #########解密过程的的交叉迭代过程##################################################################################### """ function: make cross iteration on L0, R0 for 16 times input: L0--the front 32 bits of 64-bits cipher text , R0--the back 32 bits of cipher text return: R16--the back iterated 32-bits result, L16--the front iterated 32-bits result """ def CrossIterationInDecryption(L_0, R_0, SecretKey): if PRINT_FLAG == True: print("> 正在进行解密过程的交叉迭代") R = [] L = [] tmp_R = R_0 tmp_L = L_0 sonKeyList = createSonKey(SecretKey) for i in range(1,17): L = tmp_R R = XOROperation(tmp_L,Feistel(tmp_R,sonKeyList[16 - i])) tmp_R = R tmp_L = L RL = R + L return RL ############################################################################################## ######P 逆置换######################################################################################## InversePermutationTable=[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] """ function: inverse permutation on the R16L16 bit-stR_ing input: R16--the back iterated 32-bits result, L16--the front iterated 32-bits result return: ciphterText--64bits """ def InversePermutation(R_16_L_16): if PRINT_FLAG == True: print("> 正在进行逆置换") cipherText = "" cipherText = Permutation(R_16_L_16, InversePermutationTable) return cipherText ############################################################################################## #####加密总函数######################################################################################### def Encryption(plainText, secretKey): if PRINT_FLAG == True: print("> 开始加密64位明文") M = list(plainText) L0, R0 = InitialPermutation(M) RL = CrossIterationInEncryption(L0, R0, secretKey) cipherText = "".join(InversePermutation(RL)) return cipherText ############################################################################################## ######解密总函数############################################################################### def Decryption(cipherText, secretKey): if PRINT_FLAG == True: print("> 开始解密64位密文") M = list(cipherText) L0, R0 = InitialPermutation(M) RL = CrossIterationInDecryption(L0, R0, secretKey) decryptedText = "".join(InversePermutation(RL)) return decryptedText ############################################################################################## ####随机生成64位key，8个字符##################################################################### """ return: a 64-bits (8 bytes) string as a secret key """ def createSecrteKey(): seed = "1234567890abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ!@#$%^&*()_+=-" key = [] for i in range(8): key.append(random.choice(seed)) randomSecretKey = ''.join(key) return randomSecretKey ################################################################################################ ##########8个字符的字符串转为ascii，然后转 0 1串#################################### def ToBitString(string_8_char): strList = [] for i in range(8): strList.append(str(int2bin(ord(string_8_char[i]), 8))) return "".join(strList) ################################################################################## ########64位bits转为8个ascci字符################################################### def ToAsciiChar(string_64_bits): strList = [] bitList = list(string_64_bits) for i in range(8): if int("".join(bitList[i * 8: i * 8 + 8]), 2) < 8: continue # 八个bit一个处理单元，先转为10进制，然后转ascii，存入列表 strList.append(chr(int("".join(bitList[i * 8: i * 8 + 8]), 2))) #print("ASCII:" + str(strList)) return "".join(strList) ################################################################################## if __name__ == "__main__": """ print("执行DES加密算法") M="0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111"#测试的明文 K="0001001100110100010101110111100110011011101111001101111111110001"#密钥 print("明文是" + M) print("加密后:" + Encryption(M, K)) print("解密后" + Decryption(Encryption(M,K), K)) """ print("【DES程序说明】") print("1. 明文文件默认为同目录下的plainText.txt，如需加密其他文件，请修改16到20行代码的文件变量。" ) print("2. 密钥是随机生成的，保存在同目录的secretKey.txt文件中") print("3. 如果要显示加密和解密过程，可修改23行代码的打印变量，置为True") print("---------------------------------------------------------------------") continueSign = input("请按任意键执行加密和解密过程。。。") print("随机生成密钥中...") secretKey = createSecrteKey() with open(SECRET_KEY_FILE, 'w') as sf: sf.write(secretKey) print("密钥已写入文件" + SECRET_KEY_FILE + "!") secretKeyBitString = ToBitString(secretKey) print("得到密钥的 0 1字符串！") full_flag = True # 分组为8的倍数的标志，为8则真 PlainTextFile = open(PLAIN_TEXT_FILE, 'r') CipherTextFile = open(CIPHER_TEXT_FILE, 'w') DecryptTextFile = open(DECRYPT_TEXT_FILE, 'w') while True: text_8_bytes = PlainTextFile.read(8) if not text_8_bytes: print("读取明文文件到结尾啦") break if len(text_8_bytes) != 8: full_flag = False else: bitString = ToBitString(text_8_bytes) # 加密 encryptStr = Encryption(bitString, secretKeyBitString) # 加密结果写入文件 CipherTextFile.write(str(ToAsciiChar(encryptStr))) # 解密 decryptStr = Decryption(encryptStr, secretKeyBitString) # 解密结果写入文件 DecryptTextFile.write(str(ToAsciiChar(decryptStr))) if full_flag == False: NumOfLostBytes = 8 - len(text_8_bytes) bitStringList = [] for i in range(len(text_8_bytes)): bitStringList.append(int2bin(ord(text_8_bytes[i]), 8)) full_8_bits = int2bin(NumOfLostBytes, 8) # 填充的比特串 # 填充的字节数 转为bitstring for i in range(NumOfLostBytes): bitStringList.append(full_8_bits) bitString = "".join(bitStringList) #补全64位分组 # 加密 encryptStr = Encryption(bitString, secretKeyBitString) # 加密结果写入文件 CipherTextFile.write(str(ToAsciiChar(encryptStr))) # 解密 decryptStr = Decryption(encryptStr, secretKeyBitString) # 解密结果写入文件 DecryptTextFile.write(str(ToAsciiChar(decryptStr))) # 读取完整的8个字节分组字节，尾部填充8个字节，取值都为08 if full_flag == True: zero_eight = "00001000" tmpList = [] for i in range(8): tmpList.append(zero_eight) bitString = "".join(tmpList) # 加密 encryptStr = Encryption(bitString, secretKeyBitString) # 加密结果写入文件 CipherTextFile.write(str(ToAsciiChar(encryptStr))) # 解密 decryptStr = Decryption(encryptStr, secretKeyBitString) # 解密结果写入文件 DecryptTextFile.write(str(ToAsciiChar(decryptStr))) print("加密成功！") print("解密成功！") PlainTextFile.close() CipherTextFile.close() DecryptTextFile.close() with open(PLAIN_TEXT_FILE, 'r') as pf: data = pf.read() print("明文为：") print(data) with open(CIPHER_TEXT_FILE, 'r') as cf: data = cf.read() print("加密结果为：") print(data) with open(DECRYPT_TEXT_FILE, 'r') as df: data = df.read() print("解密结果为：") print(data)

   四、总结

   本次DES算法实践有点崎岖，主要问题在于对整个算法的熟悉以及一些细节的问题处理如ascii字符和01互换，以及在置换过程中出现的溢出问题。debug相对比较困难，因为函数的输出结果经过各种置换后，已经很难分辨是真是假，哪一步出错，只有对算法流程足够熟悉才可以顺利的完成这个实验！