傳統加密技術對於當今的網路安全發揮不了大作用,但每一本講述密碼學的書的開頭都會率先介紹它們,因為它們是密碼學的基礎,是密碼學的曆史。Vigenere密碼就是一種傳統加密技術,它是多表代換密碼,能夠有效改進單表代換密碼的詞頻分布特徵問題。詳細介紹請參考密碼學相關書籍。
幾乎每一本密碼學的書在講述Vigenere密碼的章節都會有這麼一個《Vigenere代換表》使用者講解Vigenere密碼機制:
ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
BCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZA
CDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZAB
DEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABC
EFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCD
FGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDE
GHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDEF
HIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDEFG
IJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDEFGH
JKLMNOPQRSTUVWXYZABCDEFGHI
KLMNOPQRSTUVWXYZABCDEFGHIJ
LMNOPQRSTUVWXYZABCDEFGHIJK
MNOPQRSTUVWXYZABCDEFGHIJKL
NOPQRSTUVWXYZABCDEFGHIJKLM
OPQRSTUVWXYZABCDEFGHIJKLMN
PQRSTUVWXYZABCDEFGHIJKLMNO
QRSTUVWXYZABCDEFGHIJKLMNOP
RSTUVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQ
STUVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQR
TUVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRS
UVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRST
VWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTU
WXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUV
XYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVW
YZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWX
ZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXY
加密過程很簡單,就是給定密鑰字母x和明文字母y,密文字母是位於x行和y列的那個字母。這樣就決定了加密一條訊息需要與訊息一樣長的密鑰字串,通常,密鑰字串是密鑰詞的重複。
以《密碼編碼學與網路安全——原理與實踐》中的例子來作為本文的例子。比如密鑰詞是deceptive,訊息是“we are discovered save yourself”,那麼加密過程如下:
deceptivedeceptivedeceptive(密鑰字串)
wearediscoveredsaveyourself(訊息)
ZICVTWQNGRZGVTWAVZHCQYGLMGJ(密文)
密文中的第一個字母“Z”是怎麼得來的?從Vigenere代換表中,以密鑰字串中的“d”為行,訊息中的“w”為列的那個字母就是“Z”了。
使用查表的方式多加密幾次就能很輕易地總結出規律:將A~Z以0~25編號,那麼加密過程就是,在代換表的第一行中找到訊息字母,如“w”,然後向後移動d(即3)次,所得的字母就是密文了。如果數到末位,那麼下一次移位就從頭(即A)繼續。 也就是說,可以將A~Z看成一個環,加密過程就是找定訊息字母后,將指標往環的某個特定方向移位,次數就是密鑰字母所代表的數字。這其實是一個模26的過程。
擴充一下,以上加密僅能對26個字母進行加密,而且不能區分大小寫。但其實英文中除了字母外,還有標點符號,還有空格。如果考慮到大部分英文字元,那麼Vigenere代換表將比較大,而且有點浪費空間的嫌疑。如果假設能被加密的字元有N個,如果把這N個字元建成一個環,那麼加密過程就是模N的過程,即,C(i)=(K(i)+P(i))modN,其中K、C、P分別代表的是密鑰空間、密文空間、訊息(明文)空間。
網路上有人用C實現了這個密碼編譯演算法,幾乎都是使用查代換表的方法。雖然可以程式產生代換表,但所產生的代換表太有規律了。以下我用Javascript實現了一次,使用的是模的方法,感覺靈活度更大,佔用的空間肯定也更小(時間效率尚未估計)
1 var Vigenere = {
2 _strCpr: 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyz_12345 67890.ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ',//可以將此字串的順序打亂點,或者添加更多字元
3 _strKey: function(strK,str){//產生密鑰字串,strK為密鑰,str為明文或者密文
4 var lenStrK = strK.length;
5 var lenStr = str.length;
6 if(lenStrK != lenStr){//如果密鑰長度與str不同,則需要產生密鑰字串
7 if(lenStrK < lenStr){//如果密鑰長度比str短,則以不斷重複密鑰的方式產生密鑰字串
8 while(lenStrK < lenStr){
9 strK = strK + strK;
10 lenStrK = 2 * lenStrK;
11 }
12 }//此時,密鑰字串的長度大於或等於str長度
13 strK = strK.substring(0,lenStr);//將密鑰字串截取為與str等長的字串
14 }
15 return strK;
16 }
17 }
18
19 Vigenere.lenCpr = Vigenere._strCpr.length;
20
21 Vigenere.Encrypt = function(K,P){//密碼編譯演算法,K為密鑰,P為明文
22 K = Vigenere._strKey(K,P);
23 var lenK = K.length;
24 var rlt = '';
25 var loop = 0;
26 for(loop=0; loop<lenK; loop++){
27 var iP = Vigenere._strCpr.indexOf(P.charAt(loop));
28 if(iP==-1) return '本演算法暫時不能對字元:' + P.charAt(loop) + '進行加密';
29 var iK = Vigenere._strCpr.indexOf(K.charAt(loop));
30 if(iK==-1) return '密鑰中包含非法字元:' + K.charAt(loop);
31 var i = (iP + iK) % Vigenere.lenCpr;
32 rlt = rlt + Vigenere._strCpr.charAt(i);
33 }
34 return rlt;
35 };
36
37 Vigenere.DisEncrypt = function(K,C){
38 K = Vigenere._strKey(K,C);
39 var lenK = K.length;
40 var rlt = '';
41 var loop = 0;
42 for(loop=0; loop<lenK; loop++){
43 var iK = Vigenere._strCpr.indexOf(K.charAt(loop));
44 if(iK==-1) return '密鑰中包含非法字元:' + K.charAt(loop);
45 var iC = Vigenere._strCpr.indexOf(C.charAt(loop));
46 if(iK > iC){
47 rlt += Vigenere._strCpr.charAt(iC + Vigenere.lenCpr - iK);
48 }
49 else{
50 rlt += Vigenere._strCpr.charAt(iC - iK);
51 }
52 }
53 return rlt;
54 };