分組密碼——DES加密解密(Python實現)
摘要：
DES(Data Encryption Standard)採用64位的分組長度和56位的金鑰長度。它將64位的輸入經過一系列變換得到64為的輸出。解密使用相同的步驟和相同的金鑰，唯一不同的是金鑰順序與加密過程相反。
DES加密：
該演算法的輸入有需要加密的明文和加密...
DES(Data Encryption Standard)採用64位的分組長度和56位的金鑰長度。它將64位的輸入經過一系列變換得到64為的輸出。解密使用相同的步驟和相同的金鑰，唯一不同的是金鑰順序與加密過程相反。
DES加密：
該演算法的輸入有需要加密的明文和加密使用的金鑰，二者長度都為64位。其中金鑰的第8,16,24,32,40,48,56,64位為奇偶校驗位。
1、明文的處理
將明文讀入程式並將其化為二進位制串
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，並劃分為左右兩個子串
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、對金鑰的處理
將金鑰讀入程式並以二進位制串的形式儲存
對金鑰進行PC-1置換，並劃分為兩個子串
#金鑰置換 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金鑰之前需要對金鑰進行置換壓縮
#金鑰壓縮 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金鑰，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函式
在每輪變換中，整個過程可以用以下公式表示：
$$ L_i = R_{i-1} $$
$$ R_i = L_{i-1}\bigoplus F(R_{i-1},K_i) $$
其中輪金鑰$K_i$長48位,$R$長32位，首先將$R$置換擴充套件為48位,這48位與$K_i$異或，得到的結果用替代函式作用產生32位的輸出。這32位的輸出經過$P$置換後與$L_{i-1}$異或得到新的$R_i$
代替函式由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位的二進位制數，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擴充套件為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函式
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$L_i$和$R_i$，第16次不交換
def DES_encrypt(filename,key,outputFile): #從檔案中讀取明文 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函式 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檔案 writeFile(outputFile,Cipher) return Cipher
DES解密：
def DES_decrypt(filename,key,outputFile): #檔案中讀取密文 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函式 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