DES（Data Encryption_Standard）

发表于2025-03-25

DES是一种对称密钥的块加密算法。谓之 “对称密钥”，是因为加密、解密用的密钥是一样的（这不同于 RSA 等非对称密钥体系）。谓之 “块加密”，是因为这种算法把明文划分为很多个等长的块(block)，对每个块进行加密，最后以某种手段拼在一起。“块加密”亦称“分组加密”。

DES概述

DES 的功能是：给定一个 64 位的明文和一个 64 位的密钥，输出一个 64 位的密文。这个密文可以用相同的密钥解密。所谓“64位的密钥”，其实里面只有56位在起作用。剩余的位可以直接丢弃，或者当作奇偶校验位。

虽然 DES 一次只能加密 8 个字节，但我们只需要把明文划分成每 8 个字节一组的块，就可以实现任意长度明文的加密。如果明文长度不是 8 个字节的倍数，还得进行填充。现在流行的填充方式是 PKCS7 / PKCS5。

算法特点：分组比较短、密钥太短、密码生命周期短、运算速度较慢。

Key（密钥）：为7个字节共56位，是DES算法的工作密钥（若说密钥为64位，其指的也是56位的秘钥加上8位奇偶校验位，奇偶校验位为第8,16,24,32,40,48,56,64位）
 Data（数据）：为8个字节64位，是要被加密或被解密的数据
 Mode（模式）： 为DES的工作方式,有两种:加密或解密。

DES算法框架

DES 算法是在 Feistel network （费斯妥网络）的基础上执行的。以下是 DES 算法的流程图：

可以看到整个算法分为两大部分——迭代加密（左边的 16 轮迭代操作），以及密钥调度（右边生成子密钥的算法）。

所谓密钥调度，就是从一把 64-bit 的主钥匙，得到 16 把 48-bit 的子钥匙。

每一轮迭代，都是接收一组 <font style="color:rgb(49, 59, 63);background-color:rgb(229, 239, 245);">L, R</font>，返回 <font style="color:rgb(49, 59, 63);background-color:rgb(229, 239, 245);">L', R'</font> ，作为下一轮迭代的 <font style="color:rgb(49, 59, 63);background-color:rgb(229, 239, 245);">L, R</font> . 迭代过程如下:

L’=R

R’=L^F(R,subkey)

其中F函数（称为轮函数）是整个算法的核心，功能是：以一个子密钥，加密 32-bit 的信息。

密钥调度算法


首先，采用“选择置换1 (PC-1)”，从 64 位 key 里面选出 56 位。这一步属于encode，对信息安全没有帮助。PC-1 方法如下：

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# 选择置换1，输入 key 为长度为 64 的 0/1 数组
# 从64位输入密钥中选择56位，分为左右两个28位半密钥
def PC1(key):
    pc1_l = [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]
    pc1_r = [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]

    return [key[x-1] for x in pc1_l], [key[x-1] for x in pc1_r]

经过 PC-1 之后，我们有了左、右两个半密钥，长度都是 28 位。接下来，我们每一轮把左、右半密钥左旋几位，再调用 PC-2 方法来造子密钥。框架如下：

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# 子密钥生成算法，由一个64位主密钥导出16个48位子密钥
def keyGen(key):
    assert len(key) == 64

    l, r = PC1(key)
    off = [1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1]
    res = []

    for x in range(16):
        l = leftRotate(l, off[x])
        r = leftRotate(r, off[x])

        res.append(PC2(l + r))
    
    return res

其中， <font style="color:rgb(49, 59, 63);background-color:rgb(229, 239, 245);">leftRotate</font> 是循环左移，实现如下：

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# 循环左移off位
def leftRotate(a, off):
    return a[off:] + a[:off]

assert leftRotate([0, 1, 0, 1, 1], 2) == [0, 1, 1, 0, 1]

PC-2 又是一个简单置换，用于从左右半密钥拼起来的 56 位密钥中，选取 48 位作为一个子密钥。实现如下：

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# 选择置换2
# 从56位的密钥中选取48位子密钥
def PC2(key):
    assert len(key) == 56

    pc2 = [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]
    return [key[x-1] for x in pc2]

这样，我们就实现了密钥调度算法。执行 <font style="color:rgb(49, 59, 63);background-color:rgb(229, 239, 245);">keyGen</font> ，即可获得 16 把子密钥，长度均为 48-bit. 不难看出，整个密钥调度的过程都是对主密钥的 encode. 生成这么多子密钥的目的，是使得加密迭代变得更加复杂、难以分析。

加密迭代

加密迭代的过程是先把信息进行一次初始置换(IP置换)；再进行 16 轮迭代；最后再给 (R+L) 这个数组来一次最终置换(FP置换)，即可输出作为密文。框架如下：

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def DES(plain, key, method):
    subkeys = keyGen(int2bin(key, 64))

    if method == 'decrypt':
        subkeys = subkeys[::-1]
    
    m = IP(int2bin(plain, 64))

    l, r = np.array(m, dtype=int).reshape(2, -1).tolist()

    for i in range(16):
        l, r = goRound(l, r, subkeys[i])
    
    return bin2int(FP(r + l))

在这里， <font style="color:rgb(49, 59, 63);background-color:rgb(229, 239, 245);">goRound</font> 是提供 <font style="color:rgb(49, 59, 63);background-color:rgb(229, 239, 245);">L, R</font> 和本轮加密使用的子密钥，返回 <font style="color:rgb(49, 59, 63);background-color:rgb(229, 239, 245);">L', R'</font> 以供下一轮迭代。 <font style="color:rgb(49, 59, 63);background-color:rgb(229, 239, 245);">IP</font> 和 <font style="color:rgb(49, 59, 63);background-color:rgb(229, 239, 245);">FP</font> 都是简单置换，对于密码安全没有任何意义，只是一个历史遗留原因。规定如下：

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# 初始置换
def IP(a):
    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]
    return [a[x-1] for x in ip]
testM = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1]
assert IP(testM) == [1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0]

# 最终置换
def FP(a):
    fp = [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]
    return [a[x-1] for x in fp]

注意到 FP 就是 IP 的逆函数。这是为了保证“加密、解密算法几乎完全相同”。而至于 <font style="color:rgb(49, 59, 63);background-color:rgb(229, 239, 245);">goRound</font> ，我们知道它干的事情是

L’=R

R’=L^F(R,subkey)

代码实现如下：

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def goRound(l, r, subKey):
    return r, binXor(l, Feistel(r, subKey))

因此，DES 的安全性在很大程度上取决于 F 函数，也就是轮函数。那么 Feistel 函数是干了什么事呢？来看下面一张流程图：

一个 32-bit 的块，经过一个扩张(Expand函数)，变成 48 位，然后与子密钥异或。得到的 48-bit 的结果分为 8 组，每一组是 6-bit 的数据，丢进对应的 S 盒，输出 4-bit 的信息。把这些输出收集起来，一共是 4*8 = 32 位，做一次置换 (P 置换)，得到 32-bit 的结果。这与输进来的 32-bit 信息是等长度的。

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# F函数，用于处理一个半块
def Feistel(a, subKey):
    assert len(a) == 32
    assert len(subKey) == 48

    t = binXor(Expand(a), subKey)
    t = S(t)
    t = P(t)

    return t

Expand 算法是指定的，P 置换是一个简单置换，因此都是 encode 过程。而这个 32-bit 的半块与 subkey 的混合过程，以及 S 盒提供的强有力的混淆能力，提供了 DES 体系的核心安全性。

Expand 算法如下：

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# 扩张置换，将32位的数据扩展到48位
def Expand(a):
    assert len(a) == 32
    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]
    return [a[x-1] for x in e]

P 置换如下：

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# P置换
def P(a):
    assert len(a) == 32

    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]
    return [a[x-1] for x in p]

需要注意一点：这个 P 置换是精心设计的，使得这一轮同一个 S 盒 输出的四个 bit，在下一回合的扩张之后，交由四个不同的 S 盒去处理。

接下来唯一要处理的就是 S 盒了。它一共有 8 张表，表长成下面这个样子：

扩张之后的半块与子密钥异或之后，得到了 48 位结果；这些结果分成 8 个组，然后第一组使用 S1 这张表进行变换，第二组使用 S2 进行变换……依次类推。现在我们假设第二组是 <font style="color:rgb(49, 59, 63);background-color:rgb(229, 239, 245);">101100</font> ，来看它在 S盒变换之后会得到什么结果：

由于这是第二组，故查询 S2 表。
它的首位、末尾是 10 ，故查询第三行。
它的中间 4 位是 0110 ，查表知结果是 13.
把 13 转为二进制，得到 1101 ，于是这就是输出。

代码实现： 
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# S盒变换，输入48位，输出32位
def S(a):
    assert len(a) == 48

    S_box = [[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], 
                [10,0,9,14,6,3,15,5,1,13,12,7,11,4,2,8,
                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]]

    a = np.array(a, dtype=int).reshape(8, 6)
    res = []

    for i in range(8):
        # 用 S_box[i] 处理6位a[i]，得到4位输出
        p = a[i]
        r = S_box[i][bin2int([p[0], p[5], p[1], p[2], p[3], p[4]])]
        res.append(int2bin(r, 4))
        
    res = np.array(res).flatten().tolist()
    assert len(res) == 32

    return res

完整代码

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from functools import reduce
import numpy as np

def pad_data(data):
    """ 对输入数据进行 64-bit 块填充（PKCS7 填充） """
    byte_data = data.encode('utf-8')  # 转换为字节
    pad_len = 8 - (len(byte_data) % 8)  # 计算填充长度
    byte_data += bytes([pad_len] * pad_len)  # 添加填充字节
    return [int.from_bytes(byte_data[i:i+8], 'big') for i in range(0, len(byte_data), 8)]

def unpad_data(data_blocks):
    """ 去除填充并转换回字符串 """
    byte_data = b''.join(block.to_bytes(8, 'big') for block in data_blocks)
    pad_len = byte_data[-1]  # 获取填充的字节数
    return byte_data[:-pad_len].decode('utf-8')


# 整数转二进制数组，指定位长 n，大端序
def int2bin(a, n):
    assert 0<=n and a < 2**n # 断言，确保 n 为非负数，且 a 在 n 位二进制能表示的范围内
    res = np.zeros(n, dtype = int)

    for x in range(n):
        res[n-x-1] = a % 2
        a = a // 2
    return res.tolist()

assert int2bin(0x1a, 10) == [0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0] #验证

# 二进制数组转整数，大端序  左移方式 (x * 2 + y) 处理二进制位。
def bin2int(a):
    return reduce(lambda x,y: x*2+y, a)

assert bin2int([0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0]) == 0x1a

# 循环左移off位
def leftRotate(a, off):
    return a[off:] + a[:off]

assert leftRotate([0, 1, 0, 1, 1], 2) == [0, 1, 1, 0, 1]

# 异或
def binXor(a, b):
    assert len(a) == len(b)
    return [x^y for x, y in zip(a, b)]
    
assert binXor([1, 1, 0, 1], [0, 1, 1, 0]) == [1, 0, 1, 1]

# 初始置换
def IP(a):
    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]
    return [a[x-1] for x in ip]
    
testM = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1]
assert IP(testM) == [1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0]

# 最终置换
def FP(a):
    fp = [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]
    return [a[x-1] for x in fp]
    
# 选择置换1
# 从64位输入密钥中选择56位，分为左右两个28位半密钥
def PC1(key):
    pc1_l = [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]
    pc1_r = [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]
    
    return [key[x-1] for x in pc1_l], [key[x-1] for x in pc1_r]

testKey = [0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1]
testL, testR = PC1(testKey)
assert testL + testR == [1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1]

# 选择置换2
# 从56位的密钥中选取48位子密钥
def PC2(key):
    assert len(key) == 56

    pc2 = [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]
    return [key[x-1] for x in pc2]

# 子密钥生成算法，由一个64位主密钥导出16个48位子密钥
def keyGen(key):
    assert len(key) == 64

    l, r = PC1(key)
    off = [1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1]
    res = []

    for x in range(16):
        l = leftRotate(l, off[x])
        r = leftRotate(r, off[x])

        res.append(PC2(l + r))
    
    return res

assert keyGen(testKey)[-1] == [1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1]

# S盒变换，输入48位，输出32位
def S(a):
    assert len(a) == 48

    S_box = [[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], 
                [10,0,9,14,6,3,15,5,1,13,12,7,11,4,2,8,
                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]]

    a = np.array(a, dtype=int).reshape(8, 6)
    res = []

    for i in range(8):
        # 用 S_box[i] 处理6位a[i]，得到4位输出
        p = a[i]
        r = S_box[i][bin2int([p[0], p[5], p[1], p[2], p[3], p[4]])]
        res.append(int2bin(r, 4))
        
    res = np.array(res).flatten().tolist()
    assert len(res) == 32

    return res

# 扩张置换，将32位的半块扩展到48位
def Expand(a):
    assert len(a) == 32
    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]
    return [a[x-1] for x in e]

# P置换
def P(a):
    assert len(a) == 32

    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]
    return [a[x-1] for x in p]

# F函数，用于处理一个半块
def Feistel(a, subKey):
    assert len(a) == 32
    assert len(subKey) == 48

    t = binXor(Expand(a), subKey)
    t = S(t)
    t = P(t)

    return t

def goRound(l, r, subKey):
    return r, binXor(l, Feistel(r, subKey))

def DES(plain, key, method):
    subkeys = keyGen(int2bin(key, 64))

    if method == 'decrypt':
        subkeys = subkeys[::-1]
    
    m = IP(int2bin(plain, 64))

    l, r = np.array(m, dtype=int).reshape(2, -1).tolist()

    for i in range(16):
        l, r = goRound(l, r, subkeys[i])
    
    return bin2int(FP(r + l))


# print(hex(DES(0x11aabbccddeeff01, 0xcafababedeadbeaf, 'encrypt')))
# # 0x2973a7e54ec730a3
# print(hex(DES(0x2973a7e54ec730a3, 0xcafababedeadbeaf, 'decrypt')))
# # 0x11aabbccddeeff01


# ECB模式加密
def des_ecb_encrypt(plain_blocks, key):
    """
    使用 DES 电子密码本（ECB）模式对明文块列表进行加密。
    
    :param plain_blocks: list[int]，64-bit 明文块列表
    :param key: int，64-bit 密钥
    :return: list[int]，加密后的 64-bit 密文块列表
    """
    return [DES(block, key, 'encrypt') for block in plain_blocks]

# ECB模式解密
def des_ecb_decrypt(cipher_blocks, key):
    return [DES(block, key, 'decrypt') for block in cipher_blocks]

def get_input_blocks():
    """ 让用户输入数据，并转换为 64-bit 块 """
    data = input("请输入数据（可以是字符串、整数或十六进制）：").strip()
    if data.startswith("0x"):  # 处理十六进制输入
        blocks = [int(data, 16)]
    elif data.isdigit():  # 处理整数输入
        blocks = [int(data)]
    else:  # 处理字符串输入
        blocks = pad_data(data)
    return blocks

def main():
    key = int(input("请输入 64-bit 密钥（16进制）："), 16)  # 获取密钥
    mode = input("请选择模式（encrypt/decrypt）：").strip().lower()

    if mode == 'encrypt':
        plaintext_blocks = get_input_blocks()
        cipher_blocks = des_ecb_encrypt(plaintext_blocks, key)
        print("加密后:", [hex(c) for c in cipher_blocks])
    elif mode == 'decrypt':
        cipher_blocks = get_input_blocks()
        decrypted_blocks = des_ecb_decrypt(cipher_blocks, key)
        try:
            print("解密后:", unpad_data(decrypted_blocks))  # 试图转换回字符串
        except:
            print("解密后:", [hex(c) for c in decrypted_blocks])  # 不是字符串时输出十六进制
    else:
        print("无效模式，请输入 'encrypt' 或 'decrypt'")

if __name__ == "__main__":
    main()

工作模式：

  • ECB模式：每个明文块独立加密，无依赖关系。
  • CBC模式：每个块加密前与前一个密文异或，需初始向量IV。

des1.py –有每轮结果的版本

des.py