深入了解DES加密算法

深入了解DES加密算法

数据加密标准（DES，Data Encryption Standard）是一种对称加密算法，自1977年成为美国联邦信息处理标准以来，曾广泛应用于保护敏感数据。尽管今天被认为不够安全，但DES仍然是理解加密算法基础的一个重要起点。本文将深入介绍DES算法的工作原理，并展示如何使用Python从头实现DES加密和解密，而不依赖任何第三方加密库。

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一、DES算法概述

DES是一种对称块加密算法，使用56位的密钥对64位的数据块进行加密。DES的加密和解密过程都是基于相同的密钥，这意味着加密和解密过程是对称的。

1.1 加密流程

DES的加密过程可以分为以下几个步骤：

1. 初始置换（Initial Permutation, IP）: 输入的64位明文数据首先经过初始置换，这一过程将原始数据的比特位重新排列，以增加算法的复杂性。

2. 16轮迭代处理: DES的核心是16轮相同的迭代处理，每轮包括：

   • 轮密钥生成: 将56位的密钥扩展生成48位的子密钥。
   • 分割与置换: 数据被分割为左右两部分，通过复杂的非线性置换和S盒替换进行混淆。
   • 交换: 每一轮后，左右两部分交换位置。

3. 逆初始置换（Inverse Initial Permutation, IP-1）: 经过16轮处理后的数据再次经过置换，形成最终的64位密文。

1.2 解密流程

DES的解密过程与加密类似，所不同的是轮密钥的使用顺序是反的，从最后一轮密钥开始逆向应用。此外，初始置换和逆初始置换的位置也对调。

二、DES算法的Python实现

下面，我们将一步步实现一个基本的DES加密和解密程序。为了便于理解，代码将以逐步的形式展示。

2.1 初始置换与逆初始置换

初始置换和逆初始置换是通过固定的置换表实现的。我们首先定义这两个置换表：

# 初始置换表
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]

# 逆初始置换表
IP_INV = [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]

# 应用置换表
def permute(block, table):
    return [block[x-1] for x in table]

2.2 轮密钥生成

在每一轮加密中，密钥需要通过移位和选择置换生成子密钥。下面是实现这一过程的代码：

# 密钥置换选择表
PC1 = [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
PC2 = [14, 17, 11,