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DES加密算法揭秘：对称加密的密钥艺术

后端

DES加密算法，全称Data Encryption Standard，是一种对称加密算法，即加密和解密都使用相同的密钥。它的诞生源于信息安全领域对可靠、高效加密方法的需求，并于1977年被美国国家标准局（NIST）正式采纳为联邦信息处理标准（FIPS）。

DES加密算法原理

DES算法的基本思想是将64位明文分组，经过一系列复杂的加密变换，包括置换、替换、异或等操作，最终生成64位密文。加密过程可以分为以下几个步骤：

  1. 初始置换 (IP)： 对64位明文进行初始置换，重新排列比特的顺序，打乱明文结构。

  2. 分组加密 (FE)： 将64位明文分组分为32位左半部分和32位右半部分。左半部分保持不变，右半部分与子密钥进行运算，产生新的左半部分。然后将新左半部分与旧右半部分交换，再与子密钥进行运算，产生新的右半部分。重复16轮分组加密，最终得到64位密文。

  3. 逆初始置换 (IP-1)： 对加密后的64位密文进行逆初始置换，将比特顺序恢复到初始状态。

DES加密算法实现

在编程语言中，我们可以通过编写代码来实现DES加密算法。以下是用Python语言实现DES算法的示例：

import binascii

def des_encrypt(plaintext, key):
  # 将明文和密钥转换为二进制比特字符串
  plaintext_bin = bin(int(plaintext, 16))[2:]
  key_bin = bin(int(key, 16))[2:]

  # 填充明文到64位
  plaintext_bin = plaintext_bin.zfill(64)

  # 生成子密钥
  subkeys = generate_subkeys(key_bin)

  # DES加密循环
  for round in range(16):
    # 将明文分组为左右两部分
    left_half, right_half = plaintext_bin[:32], plaintext_bin[32:]

    # 进行加密运算
    right_half = xor(right_half, subkeys[round])
    right_half = sbox_lookup(right_half)
    right_half = permute(right_half, expansion_permutation)
    right_half = xor(right_half, left_half)

    # 交换左右两部分
    left_half, right_half = right_half, left_half

  # 将加密后的分组组合成密文
  ciphertext_bin = left_half + right_half

  # 将密文转换为十六进制字符串
  ciphertext = hex(int(ciphertext_bin, 2))[2:]

  return ciphertext

def generate_subkeys(key):
  # 将密钥转换为56位
  key_56bit = key[:56]

  # 生成16个子密钥
  subkeys = []
  for round in range(16):
    # 进行子密钥置换
    key_56bit = key_56bit[round * 2:] + key_56bit[:round * 2]

    # 将子密钥分组为左右两部分
    left_half, right_half = key_56bit[:28], key_56bit[28:]

    # 进行子密钥变换
    left_half = shift_left(left_half, key_shift_schedule[round])
    right_half = shift_left(right_half, key_shift_schedule[round])

    # 组合子密钥
    subkey = left_half + right_half

    # 将子密钥转换为48位
    subkey_48bit = subkey[:48]

    # 将子密钥添加到子密钥列表中
    subkeys.append(subkey_48bit)

  return subkeys

def sbox_lookup(input):
  # 将输入分组为8个6位子块
  input_blocks = [input[i:i+6] for i in range(0, 48, 6)]

  # 查询S盒并替换每个子块
  output_blocks = []
  for block in input_blocks:
    row = int(block[0] + block[5], 2)
    column = int(block[1:5], 2)
    output_block = bin(sboxes[row][column])[2:].zfill(4)
    output_blocks.append(output_block)

  # 组合输出块
  output = ''.join(output_blocks)

  return output

def permute(input, permutation):
  # 根据置换表重新排列比特的顺序
  output = ''
  for bit_position in permutation:
    output += input[bit_position - 1]

  return output

def xor(input1, input2):
  # 对两个比特字符串进行异或运算
  output = ''
  for i in range(len(input1)):
    output += str(int(input1[i]) ^ int(input2[i]))

  return output

# DES加密轮移表
key_shift_schedule = [1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1]

# DES扩展置换表
expansion_permutation = [
  32,  1,  2,  3,  4,  5,  4,  5,
   6,  7,  8,  9,  8,  9, 10, 11,
  12, 13, 12, 13, 14, 15, 16, 17,
  18, 19, 20, 21, 20, 21, 22, 23,
  24, 25, 24, 25, 26, 27, 28, 29,
  30, 31, 32,  1
]

# DES S盒
sboxes = [
  [
    [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,  0,  5, 14,  9]
  ],
  [
    [10,  0,  9, 14,  6,  3, 15,