Python零基础编程——09密码学实战篇-古典加密算法加密解密破解

摘要

书接前文：

1-《零基础编程——Python基础》

2-《零基础编程——密码学基础理论篇》

前面我们分享了密码学的基础理论篇，从摩斯密码切入，逐个分析了凯撒加密法、换位加密法、数乘加密法、仿射加密、简单替代、多表替代、对称加密、非对称加密RSA加密法等等。本篇继续分享实际使用实战。针对古典加密算法进行加密解密，学会对明文进行Python编程加密、解密，以及破解密码实战。

 

内容

1-凯撒加密法 编程实战
2-反转加密法 编程实战
3-换位加密法 编程实战
4-数乘加密法 编程实战



0-Python cryptography 库安装

针对密码学的基础加密算法，其实自己写也可以，不过为了不浪费时间，充分利用现有的资源，站在巨人的肩膀上学习。

我们使用cryptographic、pycipher等库

#源码参考
https://github.com/pyca/cryptography/tree/master/src/cryptography
https://github.com/jameslyons/pycipher


#安装使用
pip install cryptography
pip install pycipher
#不懂使用的童鞋，请参考我们的-Python基础篇章

 

0-Python cryptography 库安装

针对密码学的基础加密算法，其实自己写也可以，不过为了不浪费时间，充分利用现有的资源，站在巨人的肩膀上学习。

我们使用cryptographic、pycipher等库

#源码参考
https://github.com/pyca/cryptography/tree/master/src/cryptography
https://github.com/jameslyons/pycipher

#安装使用
pip install cryptography
pip install pycipher
#不懂使用的童鞋，请参考我们的-Python基础篇章

 

1-凯撒加密法 编程实战

• 原理：（具体参考我们上一篇密码学基础理论篇）

• 实战:

def encode(string, shift):
    cipher = ''
    for char in string:
        if char == ' ':
            cipher = cipher + char
        elif char.isupper():
            cipher = cipher + chr((ord(char) + shift - ord('A')) % 26 + ord('A'))
        else:
            cipher = cipher + chr((ord(char) + shift - ord('a')) % 26 + ord('a'))

    return cipher


def decode(text, s):
    result = ""
    for x in text:
        if(x == ' '):
            result += " "
        elif(ord(x)-ord('A')-s < 0):
            result += chr(ord(x)-s+26)
        else:
            result += chr(ord(x)-s)
    return result


text = 'Hello FreoStudio Welcome U '
print('明文：'+text)
text = encode(text, 4)  # 加密
print('密文：'+text)
decode(text, 4)

当我们不知道密钥Key=4的情况下爆破：

for key in range(0, 26):
    print('Key='+str(key))
    text = decode('Lipps JvisWxyhms Aipgsqi Y', key)
    print(text)
#运行结果：
Key=0
Lipps JvisWxyhms Aipgsqi Y
Key=1
Khoor IuhrVwxglr Zhofrph X
Key=2
Jgnnq HtgqUvwfkq Ygneqog W
Key=3
Ifmmp GsfpTuvejp Xfmdpnf V
Key=4
Hello FreoStudio Welcome U
Key=5
Gdkkn EqdnRstchn Vdkbnld T
Key=6
Fcjjm DpcmQrsbgm Ucjamkc S
Key=7
Ebiil CoblPqrafl Tbi`ljb R
Key=8
Dahhk BnakOpq`ek Sah_kia Q
Key=9
C`ggj Am`jNop_dj R`g^jh` P
Key=10
B_ffi Zl_iMno^ci Q_f]ig_ O
Key=11
A^eeh Yk^hLmn]bh P^e\hf^ N
Key=12
Z]ddg Xj]gKlm\ag O]d[ge] M
Key=13
Y\ccf Wi\fJkl[`f N\cZfd\ L
Key=14
X[bbe Vh[eIjkZ_e M[bYec[ K
Key=15
WZaad UgZdHijY^d LZaXdbZ J
Key=16
VY``c TfYcGhiX]c KY`WcaY I
Key=17
UX__b SeXbFghW\b JX_Vb`X H
Key=18
TW^^a RdWaEfgV[a IW^Ua_W G
Key=19
SV]]` QcV`DefUZ` HV]T`^V F
Key=20
RU\\_ PbU_CdeTY_ GU\S_]U E
Key=21
QT[[^ OaT^BcdSX^ FT[R^\T D
Key=22
PSZZ] N`S]AbcRW] ESZQ][S C
Key=23
ORYY\ M_R\ZabQV\ DRYP\ZR B
Key=24
NQXX[ L^Q[Y`aPU[ CQXO[YQ A
Key=25
MPWWZ K]PZX_`OTZ BPWNZXP Z

一般情况下，我们明文字符集不止25个，像我们汉字常用的就有3千多个，那我们就需要进行爆破3千多个Key，但是爆破完了，我们怎么知道哪一个是我们想要的Key？一个个看也不现实。

可以用字典进行检测单词有效性，Python可以使用enchant或者nltk库来判断单词是否有效英语单词，我们也可以自己下载一本英文单词书(words.txt)，进行逐个匹对：

def is_english_word(word):
    with open("./files/words.txt") as word_file:
        english_words = set(word.strip().lower() for word in word_file)
 
    return word.lower() in english_words

is_english_word('hellX')
#运行结果:False

 

• 爆破，获取最佳密钥Key

import tools

#爆破凯撒加密的密文
def caesar_cracking(msg,len):
    relKey =0
    relCount =0
    print('破解中，耐心等待...')
    for key in range(0, len):
        print(key)
        text = caesar_decode(msg, key)
        count =0
        for word in text.split(" "):
            #print('====='+word)
            if tools.is_english_word(word):
                count+=1
        if count > relCount:
            relCount = count
            relKey = key
            if relKey >=100:#如果正确率达到100个，可以任务是得到了密钥
                break
            
    print('破解完成...')
    print('最佳密钥为：key='+str(relKey))

    return relKey

   
caesar_cracking('Lipps JvisWxyhms Aipgsqi Y',26)
#运行结果如下：

 

2-反转加密法 编程实战

• 原理：（具体参考我们上一篇密码学基础理论篇）

 

• 实战

# 反转加密法#加密算法与解密算法一致
def reverse_cipher(msg):
    i = len(msg) - 1
    result = ''  # 存储加反转后的信息
    while i >= 0:
        result += msg[i]
        i = i - 1
    print("反转为：", result)
    return result

message = 'This is program to explain reverse cipher.'


text = reverse_cipher(message)#反转加密
reverse_cipher(text)#反转再反转得到明文

• 破解：反转即可，关键是你不知道别人的密文是不是其中一个环节用了反转

 

3-换位加密法 编程实战

• 原理：（具体参考我们上一篇密码学基础理论篇）

 

行列转换后按列号从新排序1、2、3、4列

• 实战

# 换位加密法

from pycipher import ColTrans
#加密
def transposition_encode(key, msg):
    return ColTrans(key).encipher(msg)
#解密
def transposition_decode(key, msg):
    return ColTrans(key).decipher(msg)

text = transposition_encode("21334","Hello FreoStudio Welcome U")
transposition_decode("HELLO",text)

#pycipher  ColTrans 换位加密具体算法源码
#我们站在巨人肩膀上，创新创造，不重复造轮子了
https://github.com/freostudio/pycipher/tree/master/pycipher/columnartransposition.py

• 密码分析

换位加密法通常称之为列转换加密法，行列转置密码，将明文按自定义列数换位。加密强度本身很弱，但通常和其他加密方法结合，例如替代加密法结合，ADFGVX密码就是用换位加密大大增强安全性的。

怎么破解呢，如果采用爆破去逐个尝试，基本不可能，因为首先换位的列数可以无数个，而且列进行排序组合也很多，得到结果后还得校验单词正确性。一般的计算机基本难于爆破。

基本长度9之后都很难逐个破解了

逐个破解无望，可以使用字典攻击方法，通常加密Key是常用人名地名的，然后我们建立一个字典，逐个尝试，提高效率。

 

4-数乘加密法 编程实战

• 原理：（具体参考我们上一篇密码学基础理论篇）

 

• 实战

# 数乘加密

def multiplicative_encode(key,totol_num, text):
    result = ''  # 存储加反转后的信息
    for x in text:
        if(x == ' '):
            result += " "
        else:
            offset = ord(x) - ord('A')
            result +=chr(((key* offset ) % totol_num) + ord('A'))
    return result


multiplicative_encode(7,26,"ABCDEFG")
##输出结果：
# 数乘加密...
'AHOVCJQ'

 

5-总结

我们针对古典加密算法的实战，实战是为了更好地掌握古典加密算法的思想。

上篇-
 1-凯撒加密法 编程实战
2-反转加密法 编程实战
3-换位加密法 编程实战
4-数乘加密法 编程实战
下篇-
5-仿射加密法
6-简单替代加密法
7-维吉尼亚加密法——多表替代加密法
8-一次一密加密法 one time pad cipher