古典密码算法实验

一、实验名称

古典密码算法

二、实验目的及要求

1.实验目的：

通过编程实现替代密码算法和置换密码算法，加深对古典密码体制的了解。

2.实验要求：

根据实验内容完成任务，密码算法的加密和解密过程，要求加密过程的明文和密钥、解密过程的密文和密钥由用户手动任意输入，并且以包含本人姓名的字符串作为明文输入，凯撒密码的密钥数字为本人学号的后两位，矩阵换位密码的密钥为下一学号学生的姓名去重复全凭，分别演示加密算法和解密算法的执行结果。 

三、实验环境

Windows10,Pycharm

四、实验设计

内容要求：

1. 实验原理与内容

古典密码算法曾被广泛应用， 大都比较简单， 使用手工和机械操作来实现加密和解密。

（1）替代密码

替代密码算法的原理是使用替代法进行加密，就是对明文中的字符用其他字符替代后形 成密文。例如， 明文字母 a, b, c, d,  用 d, e, f , g 做对应替换后形成密文。

替代密码包括多种类型， 如单表替代密码，多表替代密码，多字母替代密码等。 试编程 实现一种典型的单表替代密码—凯撒(Caesar) 密码。它的加密方法是将明文中的每个字母 用此字符在字母表中后面的第 k 个字母替代。它的加密过程可以表示为下面的函数：

E(k)=(m+k)modn

其中， m 为明文字母在字母表中的位置数，n 为字母表中的字母个数， k 为密钥， E(k) 为密文字母在字母表中对应的位置数。

解密过程类推。

（2）置换密码

置换密码算法的原理是不改变明文字符， 只将字符在明文中的排列顺序改变，从而实现明文信息的加密。置换密码也叫换位密码。

试编程实现矩阵换位密码。它的加密方法是将明文中的字母按照给定的顺序安排在一个 矩阵中，然后用根据密钥提供的顺序重新组合矩阵中的字母，形成密文。例如，明文为 attack begins at five，密钥为 cipher，将明文按照每行 6 个字母的形式排在矩阵中， 如下形式：

a      t     t      a     c      k

b      e     g      i     n      s

a      t     f      i     v      e

根据密钥 cipher 中各字母在字母表中出现的先后顺序，给定一个置换：

根据上面的置换，将原有矩阵中的字母按照第 1 、4、5 、3、2、6 的顺序排列，则有下

列形式：

a      a      c      t     t      k

b      i      n      g      e      s

a      i      v      f     t      e

从而得到密文： aacttkbingesaivfte

解密过程类推。

1. 实验步骤

（1）根据实验原理部分对替代密码算法的介绍,自己创建明文信息,并选择一个密钥k,编写替代密码算法的实现程序,实现加密和解密操作。 

（2）根据实验原理部分对置换密码算法的介绍,自己创建明文信息,并选择一个密钥,编写置换密码算法的实现程序,实现加密和解密操作。

3、实验结果

  （1）替代密码

加密：

 

解密：

 

置换密码：

加密：

 

解密：

 

4、实验总结

通过本次实验，掌握了古典密码算法的基本原理，在本次实验中，我们学习了替代密码和置换密码两种古典密码算法，并进行了加密和解密的实验。
通过本次实验，我了解到古典密码算法的基本原理和加密过程。凯撒密码是一种简单的替换密码，通过将明文中的每个字母按照一定的偏移量进行替换，得到密文。而置换密码则是将明文中的每个字母先进行一次线性变换，再进行一次替换，得到密文。这两种算法都有一定的安全性，但是随着计算机技术的发展，它们的安全性已经被攻击者所破解。
在实验中，我还学习了Python语言的基本语法和编程技巧，掌握了Python实现替代密码和置换密码的方法。通过编写代码，我深入理解了算法的实现过程和原理，同时也提高了自己的编程能力。
总的来说，本次实验让我对古典密码算法有了更深入的了解，同时也提高了我的编程能力。在今后的学习和工作中，我将继续学习和掌握更多的密码算法和编程技巧，为保障信息安全做出自己的贡献。

替换密码：

# 加密
def encrypt():
    print("-------------加密过程-------------")
    text = input("请输入明文:")
    s = int(input("请输入秘钥:"))
    result = ""
    # transverse the plain text
    for i in range(len(text)):
        char = text[i]
        # Encrypt uppercase characters in plain text
        if (char.isupper()):
            result += chr((ord(char) + s-65) % 26 + 65)
        # Encrypt lowercase characters in plain text
        else:
            result += chr((ord(char) + s - 97) % 26 + 97)
    print("加密后的结果为：",result)
    print("--------------------------------")
    return result

# 解密
def decrypt():
    print("-------------解密过程-------------")
    text = input("请输入密文:")
    s = int(input("请输入秘钥:"))
    result = ""
    # transverse the plain text
    for i in range(len(text)):
        char = text[i]
        # Encrypt uppercase characters in plain text
        if (char.isupper()):
            result += chr((ord(char) - s - 65) % 26 + 65)
        # Encrypt lowercase characters in plain text
        else:
            result += chr((ord(char) - s - 97) % 26 + 97)
    print("解密后的结果为：", result)
    print("--------------------------------")
    return result

# 主函数
def main():
    x = input("请选择模式（1.加密 2.解密 3.退出）:")
    while True:
        if x == "1":
            encrypt()
            x = input("请选择模式（1.加密 2.解密 3.退出）:")
        elif x == "2":
            decrypt()
            x = input("请选择模式（1.加密 2.解密 3.退出）:")
        elif x == "3":
            break
        else:
            break

if __name__ == '__main__':
    main()

置换密码：

#调用的包
from copy import deepcopy

# 处理密钥获取密钥的长度及顺序
def processSecretKey(s):
    sLength = len(s)
    tempList = []
    for i in range(len(s)):
        char = s[i]
        # tempList存入密钥单词中字母的ascii码值
        tempList.append(ord(char))
    # tempList2用于存储密钥单词每个字母在列表的顺序
    sKey = []
    # sort_tempList用于存储排序后的tempList
    sort_tempList = sorted(tempList)
    for index_,value in enumerate(tempList):
        sKey.append(sort_tempList.index(value)+1)

    return sKey,sLength

# 加密
def encrypt():
    print("-------------加密过程-------------")
    text = input("请输入明文:")
    s = str(input("请输入秘钥:"))
    # 除去明文中的空格
    tempList = text.split(" ")
    newText = "".join(tempList)
    # 获取处理后明文的长度
    textLength = len(newText)
    # print("text:",newText)
    # 获取密钥及密钥长度
    sKey,sLength = processSecretKey(s)
    # print(f"sLength:{sLength}")
    # print(f"sKey:{sKey}")

    # 对于长度不够处理后的明文进行补A处理
    while textLength % sLength != 0:
        newText+="X"
        textLength = textLength + 1

    # 更新处理后明文的长度
    textLength = len(newText)
    # print(f"textLength:{textLength}")

    # 根据密钥的长度对明文进行分割
    counter = 1
    temp = []
    tmp = []
    for item_ in newText:
        if  (counter % (sLength) != 0):
            tmp.append(item_)
            counter+=1

        elif  (counter % (sLength) == 0):
            tmp.append(item_)
            temp.append(tmp)
            tmp=[]
            counter+=1

    print("明文矩阵为：")

    # 根据密钥对明文进行移位
    for item_ in temp:
        print(item_)
        item_copy = deepcopy(item_)
        # print("加密前：",item_)
        for i in range(len(item_)):
            item_[i] = item_copy[sKey[i]-1]
        # print("加密后：",item_)

    # 对移位后的明文进行拼接形成密文
    print("加密后的密文矩阵为:")
    string = ''
    for item_ in temp:
        print(item_)
        string+="".join(item_)
    print("加密后的结果为：", string)
    print("--------------------------------")


# 解密
def decrypt():
    print("-------------解密过程-------------")
    text = input("请输入密文:")
    s = str(input("请输入秘钥:"))
    # 获取密钥及密钥长度
    sKey, sLength = processSecretKey(s)
    # print(f"sLength:{sLength}")
    # print(f"sKey:{sKey}")

    # 根据密钥的长度对密文进行分割
    newText = text
    counter = 1
    temp = []
    tmp = []
    for item_ in newText:
        if (counter % (sLength) != 0):
            tmp.append(item_)
            counter += 1

        elif (counter % (sLength) == 0):
            tmp.append(item_)
            temp.append(tmp)
            tmp = []
            counter += 1
    # print(temp)

    print("密文矩阵为：")
    # 根据密钥对密文进行移位复原
    for item_ in temp:
        print(item_)
        item_copy = deepcopy(item_)
        # print("解密前：",item_)
        for i in range(len(item_)):
            item_[sKey[i] - 1] = item_copy[i]
        # print("解密后：",item_)

    # 对移位复原后的密文进行拼接形成明文
    print("解密后的明文矩阵为:")
    string = ''
    for item_ in temp:
        print(item_)
        string += "".join(item_)
    #  除去尾部可能出现的X
    string.strip("X")
    print("解密后的结果为：", string)
    print("--------------------------------")


def main():
    x = input("请选择模式（1.加密 2.解密 3.退出）:")
    while True:
        if x == "1":
            encrypt()
            x = input("请选择模式（1.加密 2.解密 3.退出）:")
        elif x == "2":
            decrypt()
            x = input("请选择模式（1.加密 2.解密 3.退出）:")
        elif x == "3":
            break
        else:
            break

if __name__ == '__main__':
    main()