資訊安全－1：python之playfair密碼演算法詳解[原創]

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一、基本概念

 

1. 古典密碼是基於字元替換的密碼。加密技術有:Caesar(愷撒)密碼、Vigenere(維吉尼爾)密碼、Playfair密碼、Hill密碼……
2. 明文：未經過加密的資訊；密文：加密後的資訊
3. 加密解密的過程：如

 

 

二、Caesar密碼

　　這裡我先簡單講下愷撒密碼，鹹覺挺簡單的，後面再主要講Playfair演算法原理與編程。

基本原理：

在開拓羅馬帝國的時候，愷撒擔心信使會閱讀他送給士兵的命令，因此發明了對命令進行加密的演算法－－愷撒密碼器

愷撒密碼器挺簡單的：把字母表中的每個字母向前迴圈移動3位

• 加密資訊將字母向前移動三位
• 解密資訊將字母向後移動三位
• 移動的位元是關鍵，稱之為密鑰
• 加密和解密的密鑰是相同的，我們稱之為對稱密碼器

 

數學表達

愷撒密碼的密碼編譯演算法表示為：C＝E(p)＝(p+3) mod 26

愷撒密碼的解密演算法表示為：p＝D(C)=(C－3) mod 26

 

改進的愷撒密碼

明文的發送方和接收方事先協商好一個密鑰K(1<=K<=25)，則:

愷撒密碼的密碼編譯演算法表示為：C＝E(p)＝(p+K) mod 26

愷撒密碼的解密演算法表示為：p＝D(C)=(C－K) mod 26

 

 

三、Playfair密碼

基本原理

Playfair演算法基於一個5*5的字母矩陣，該矩陣使用一個關鍵詞構造，方法是按從左至右、從上到下順序，填入關鍵詞的字母(去除重複字母)後，將字母表其作餘字母填入。

例如: 關鍵詞取:monarchy時，字母矩陣為如示(矩陣只能放25個字母，I與J同)

 

加密規則(重要)

Playfair密碼編譯演算法是先將明文按兩個字母一組進行分組，然後在矩陣中找對應的密文。

取密文的規則如下：

1. 若明文出現相同字母在一組，則在重複的明文字母中插入一個填充字母(eg:z)進行分隔後重新分組(eg: balloon被重新分組為ba lz lo on)
2. 若分組到最後一組時只有一個字母，則補充字母z
3. 若明文字母在矩陣中同行，則迴圈取其右邊下一個字母為密文(矩陣最右邊的下一個是最左邊的第一個)(eg: ar被加密為RM)
4. 若明文字母在矩陣中同列，則迴圈取其下邊下一個字母為密文(矩陣最下邊的下一個是最上邊的第一個)(eg: mu被加密為CM)
5. 若明文字母在矩陣中不同行不同列，則取其同行且與同組另一字母同列的字母為密文(eg: hs被加密為BP，ea被加密為IM或JM)

PS：上述規則第一次看時挺煩的，但照著例子看就一定可以看懂的！

舉例(這個例子後面測試會用到的)：

明文為we are discovered save yourself，分組成為we ar ed is co ve re ds av ey ou rs el fz; 

用上述矩陣加密後的密文為:UG RM KC SX HM UF MK BT OX GC MV AT LU KV

 

 

 四、Playfair演算法編程

這裡我不想直接貼代碼。想仔細說下編程的思路以及中間遇到的一些問題。因為剛開始百度參考別人的部落格都是直接貼代碼，沒說思路，看代碼又不大懂。搞得我都是自己編的代碼。

 

流程圖(重要)

我畫的流程圖網址https://www.processon.com/diagraming/5839ae8de4b086d1e7cba620

媽呀！流程圖已經把我想說的大都說了~~尷尬~

如果加密做了，解密真的很簡單的。接下來說下我遇到的幾個問題，卡住挺久的~

 

 

 問題及分析

 問題1. 一組字母是重複明文字母，則插入字母Z(我設的，你也可以設別的)，如何?？？

我剛開始的做法是迴圈明文列表，依次找出第奇數(為什麼不先找偶數？先找偶數之後就得去找下一個元素(奇數)，怕下標越界)個元素，然後比較奇數前面一個元素(偶數)是否相同，相同則插入字母Z。然而問題來了？每次我插入一個Z，列表及下標就會變化，這樣就得重新迴圈插入才行！

1     for i in range(len(list_clear_text)):2         if(i % 2 == 1):   #列表中的第d奇數個3             if(list_clear_text[i] == list_clear_text[i-1]):   #第奇數個與前一個(偶數)是否相同4                 list_clear_text.insert(i, "Z")   #有重複明文字母則插入一個填充字母Z 並且退出迴圈5                 break

然後我們用個while迴圈調用上面代碼就可以了。接下來的問題是：如何退出while迴圈，即如何判斷列表沒有一組字母是重複的明文字母。這裡我想了想，決定用一個count來計數，每一組明文字母不相同時，則count+1，當 count == int(len(list_clear_text) / 2)時便可退出迴圈！

 1 #處理一組字線是重複明文字母 2 def deal_repeat(list_clear_text): 3     count = 0    #計算資料行表中有多少組是不同的 4     flag = False 5     for i in range(len(list_clear_text)): 6         if(i % 2 == 1):   #列表中的第d奇數個 7             if(list_clear_text[i] == list_clear_text[i-1]):   #第奇數個與前一個(偶數)是否相同 8                 list_clear_text.insert(i, "Z")   #有重複明文字母則插入一個填充字母Z 並且退出迴圈 9                 break10             if (list_clear_text[i] != list_clear_text[i - 1]):11                 count += 112                 if count == int(len(list_clear_text) / 2):13                     flag = True14 15     return list_clear_text,flag   #返回的是元組 (list_clear_text, flag)

啪啪啪！問題解決！接下來說個解密時遇到的問題。

 

問題2：解密時先判斷列表最後一個是否Z，是的話刪除，接著問題來了，如何刪除加密時在一組重複的明文中填充的字母Z？？？

我剛開始的做法是先判斷(decryption_list[i]為第偶數個，若與decryption_list[i+2]相同，並且中間decryption_list[i+1] == "Z"等於Z，則刪除中間的Z)

1     for i in range(len(decryption_list)):2         if i % 2 == 0:3             if i+2 < len(decryption_list) and 4                             decryption_list[i] == decryption_list[i+2] and decryption_list[i+1] == "Z":5                 delete_list.pop(i+1)

為了方便看上面的判斷，我貼下測試：

請輸入明文:aabbbcccc[‘a‘, ‘a‘, ‘b‘, ‘b‘, ‘b‘, ‘c‘, ‘c‘, ‘c‘, ‘c‘][‘a‘, ‘Z‘, ‘a‘, ‘b‘, ‘b‘, ‘Z‘, ‘b‘, ‘c‘, ‘c‘, ‘Z‘, ‘c‘, ‘Z‘, ‘c‘][‘a‘, ‘Z‘, ‘a‘, ‘b‘, ‘b‘, ‘Z‘, ‘b‘, ‘c‘, ‘c‘, ‘Z‘, ‘c‘, ‘Z‘, ‘c‘, ‘Z‘]      #最後添加字母Z

問題來了，和問題1一樣，每刪除一個Z，列表與下標也隨之變化了啊！怎麼辦？？像問題1那樣迴圈刪除？這樣搞，我有幾條命都不夠用來打代碼。有沒有簡單的？啪啪啪。靈光一現，我可以從後往前刪除，這樣就不怕列表下標變化了，用一個空列表來裝我要刪除元素的下標。

 1     delete_list = [] 2     for i in range(len(decryption_list)): 3         if i % 2 == 0:          #第偶數個 4             #不越界 5             if i+2 < len(decryption_list) and  6                             decryption_list[i] == decryption_list[i+2] and decryption_list[i+1] == "Z": 7                 delete_list.append(i+1) 8                 #decryption_list.pop(i+1) 9     delete_list.reverse()     #反序，從後往前刪除，每次刪完下標就不會再變化，我真是太聰明了！10     for i in delete_list:11         print(i)12         decryption_list.pop(i)

 

 

問題3：我設定的是插入Z，當時我想的是如果一組重複的明文剛好是zz，那還能插入Z(我設定的)？以及如果明文列表最後一個剛好是z,那我還能在最後補充Z？？

於是，測試如下：

 View Code

通過測試，也沒問題，因為解密時會把多餘的Z刪除。(看來我想多了~)

 

 

問題4: 好尷尬的BUG

加密時，不論時文abc, 還是abcz,加密後的密文均為BJDU，那慘了，那BJDU解密時，是abc?還是abcz??

Please input E for encryption or D for decryption：E請輸入明文(小寫字母):ABC[‘A‘, ‘B‘, ‘C‘][‘A‘, ‘B‘, ‘C‘][‘A‘, ‘B‘, ‘C‘, ‘Z‘]加密成功！密文:BJDUPlease input E for encryption or D for decryption：D請輸入密文(大寫字母/偶數):BJDU解密成功！明文:ABCPlease input E for encryption or D for decryption：E請輸入明文(小寫字母):abcz[‘a‘, ‘b‘, ‘c‘, ‘z‘][‘a‘, ‘b‘, ‘c‘, ‘z‘][‘a‘, ‘b‘, ‘c‘, ‘z‘]加密成功！密文:BJDUPlease input E for encryption or D for decryption：D請輸入密文(大寫字母/偶數):BJDU解密成功！明文:ABCPlease input E for encryption or D for decryption：

不管了，大家不必死鑽這個BUG，如果有啥好辦法可以與我交流下，我吃飯去了……

 

 五、總結

 

• 有半個月沒用python了，列表操作有些竟然忘了。尷尬~
• list.pop()刪除指定下標的元素，預設刪除最後一個元素
• 列表的list.reverse()傳回值是None
• 方法return 1,2  其實是返回一個元組(1, 2)
• print(int(7/2)) 輸出3

 

 

 原始碼

 

 View Code

 

 測試案例

 View Code

 

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