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技术 2022年11月23日
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一、基本概念

  1. 古典密码是基于字符替换的密码。加密技术有:Caesar(恺撒)密码、Vigenere(维吉尼尔)密码、Playfair密码、Hill密码……
  2. 明文:未经过加密的信息;密文:加密后的信息
  3. 加密解密的过程:如下图

信息安全-1:python之playfair密码算法详解[原创]

二、Caesar密码

  这里我先简单讲下恺撒密码,咸觉挺简单的,后面再主要讲Playfair算法原理与编程。

基本原理:

在开拓罗马帝国的时候,恺撒担心信使会阅读他送给士兵的命令,因此发明了对命令进行加密的算法--恺撒密码器

恺撒密码器挺简单的:把字母表中的每个字母向前循环移动3位

信息安全-1:python之playfair密码算法详解[原创]

  • 加密信息将字母向前移动三位
  • 解密信息将字母向后移动三位
  • 移动的位数是关键,称之为密钥
  • 加密和解密的密钥是相同的,我们称之为对称密码器

数学表达

恺撒密码的加密算法表示为:C=E(p)=(p+3) mod 26

恺撒密码的解密算法表示为:p=D(C)=(C-3) mod 26

改进的恺撒密码

明文的发送方和接收方事先协商好一个密钥K(1<=K<=25),则:

恺撒密码的加密算法表示为:C=E(p)=(p+K) mod 26

恺撒密码的解密算法表示为:p=D(C)=(C-K) mod 26

三、Playfair密码

基本原理

Playfair算法基于一个5*5的字母矩阵,该矩阵使用一个关键词构造,方法是按从左到右、从上到下顺序,填入关键词的字母(去除重复字母)后,将字母表其作余字母填入。

例如: 关键词取:monarchy时,字母矩阵为下图如示(矩阵只能放25个字母,I与J同)

信息安全-1:python之playfair密码算法详解[原创]

加密规则(重要)

Playfair加密算法是先将明文按两个字母一组进行分组,然后在矩阵中找对应的密文。

取密文的规则如下:

  1. 若明文出现相同字母在一组,则在重复的明文字母中插入一个填充字母(eg:z)进行分隔后重新分组(eg: balloon被重新分组为ba lz lo on)
  2. 若分组到最后一组时只有一个字母,则补充字母z
  3. 若明文字母在矩阵中同行,则循环取其右边下一个字母为密文(矩阵最右边的下一个是最左边的第一个)(eg: ar被加密为RM)
  4. 若明文字母在矩阵中同列,则循环取其下边下一个字母为密文(矩阵最下边的下一个是最上边的第一个)(eg: mu被加密为CM)
  5. 若明文字母在矩阵中不同行不同列,则取其同行且与同组另一字母同列的字母为密文(eg: hs被加密为BP,ea被加密为IM或JM)

PS:上述规则第一次看时挺烦的,但照着例子看就一定可以看懂的!

举例(这个例子后面测试会用到的):

明文为we are discovered save yourself,分组成为we ar ed is co ve re ds av ey ou rs el fz;

用上述矩阵加密后的密文为:UG RM KC SX HM UF MK BT OX GC MV AT LU KV

四、Playfair算法编程

这里我不想直接贴代码。想仔细说下编程的思路以及中间遇到的一些问题。因为刚开始百度参考别人的博客都是直接贴代码,没说思路,看代码又不大懂。搞得我都是自己编的代码。

流程图(重要)

我画的流程图网址https://www.processon.com/diagraming/5839ae8de4b086d1e7cba620

信息安全-1:python之playfair密码算法详解[原创]

妈呀!流程图已经把我想说的大都说了~~尴尬~

如果加密做了,解密真的很简单的。接下来说下我遇到的几个问题,卡住挺久的~

 问题及分析

 问题1. 一组字母是重复明文字母,则插入字母Z(我设的,你也可以设别的),如何实现??

我刚开始的做法是循环明文列表,依次找出第奇数(为什么不先找偶数?先找偶数之后就得去找下一个元素(奇数),怕下标越界)个元素,然后比较奇数前面一个元素(偶数)是否相同,相同则插入字母Z。然而问题来了?每次我插入一个Z,列表及下标就会变化,这样就得重新循环插入才行!

     for i in range(len(list_clear_text)):
if(i % 2 == 1): #列表中的第d奇数个
if(list_clear_text[i] == list_clear_text[i-1]): #第奇数个与前一个(偶数)是否相同
list_clear_text.insert(i, "Z") #有重复明文字母则插入一个填充字母Z 并且退出循环
break

然后我们用个while循环调用上面代码就可以了。接下来的问题是:如何退出while循环,即如何判断列表没有一组字母是重复的明文字母。这里我想了想,决定用一个count来计数,每一组明文字母不相同时,则count+1,当 count == int(len(list_clear_text) / 2)时便可退出循环!

 #处理一组字线是重复明文字母
def deal_repeat(list_clear_text):
count = 0 #计算列表中有多少组是不同的
flag = False
for i in range(len(list_clear_text)):
if(i % 2 == 1): #列表中的第d奇数个
if(list_clear_text[i] == list_clear_text[i-1]): #第奇数个与前一个(偶数)是否相同
list_clear_text.insert(i, "Z") #有重复明文字母则插入一个填充字母Z 并且退出循环
break
if (list_clear_text[i] != list_clear_text[i - 1]):
count += 1
if count == int(len(list_clear_text) / 2):
flag = True return list_clear_text,flag #返回的是元组 (list_clear_text, flag)

啪啪啪!问题解决!接下来说个解密时遇到的问题。

问题2:解密时先判断列表最后一个是否Z,是的话删除,接着问题来了,如何删除加密时在一组重复的明文中填充的字母Z???

我刚开始的做法是先判断(decryption_list[i]为第偶数个,若与decryption_list[i+2]相同,并且中间decryption_list[i+1] == “Z”等于Z,则删除中间的Z)

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

为了方便看上面的判断,我贴下测试:

请输入明文: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'] #最后添加字母Z

问题来了,和问题1一样,每删除一个Z,列表与下标也随之变化了啊!怎么办??像问题1那样循环删除?这样搞,我有几条命都不够用来打代码。有没有简单的?啪啪啪。灵光一现,我可以从后往前删除,这样就不怕列表下标变化了,用一个空列表来装我要删除元素的下标。

     delete_list = []
for i in range(len(decryption_list)):
if i % 2 == 0: #第偶数个
#不越界
if i+2 < len(decryption_list) and \
decryption_list[i] == decryption_list[i+2] and decryption_list[i+1] == "Z":
delete_list.append(i+1)
#decryption_list.pop(i+1)
delete_list.reverse() #反序,从后往前删除,每次删完下标就不会再变化,我真是太聪明了!
for i in delete_list:
print(i)
decryption_list.pop(i)

问题3:我设定的是插入Z,当时我想的是如果一组重复的明文刚好是zz,那还能插入Z(我设定的)?以及如果明文列表最后一个刚好是z,那我还能在最后补充Z??

于是,测试如下:

 Please input E for encryption or D for decryption:E
请输入明文:aabbbcccczz
['a', 'a', 'b', 'b', 'b', 'c', 'c', 'c', 'c', 'z', 'z']
['a', 'Z', 'a', 'b', 'b', 'Z', 'b', 'c', 'c', 'Z', 'c', 'Z', 'c', 'z', 'z']
['a', 'Z', 'a', 'b', 'b', 'Z', 'b', 'c', 'c', 'Z', 'c', 'Z', 'c', 'z', 'z', 'Z']
加密成功!密文:RXBJDXDHDUDUDUUU
Please input E for encryption or D for decryption:D
请输入密文(大写字母/偶数):RXBJDXDHDUDUDUUU
11
9
5
1
解密成功!明文:AABBBCCCCZZ
Please input E for encryption or D for decryption:E
请输入明文:aazzbbbcccczz
['a', 'a', 'z', 'z', 'b', 'b', 'b', 'c', 'c', 'c', 'c', 'z', 'z']
['a', 'Z', 'a', 'z', 'z', 'b', 'b', 'Z', 'b', 'c', 'c', 'Z', 'c', 'Z', 'c', 'z', 'z']
['a', 'Z', 'a', 'z', 'z', 'b', 'b', 'Z', 'b', 'c', 'c', 'Z', 'c', 'Z', 'c', 'z', 'z', 'Z']
加密成功!密文:RXRXXDDXDHDUDUDUUU
Please input E for encryption or D for decryption:D
请输入密文(大写字母/偶数):RXRXXDDXDHDUDUDUUU
13
11
7
1
解密成功!明文:AAZZBBBCCCCZZ
Please input E for encryption or D for decryption:

通过测试,也没问题,因为解密时会把多余的Z删除。(看来我想多了~)

问题4: 好尴尬的BUG

加密时,不论时文abc, 还是abcz,加密后的密文均为BJDU,那惨了,那BJDU解密时,是abc?还是abcz??

Please input E for encryption or D for decryption:E
请输入明文(小写字母):ABC
['A', 'B', 'C']
['A', 'B', 'C']
['A', 'B', 'C', 'Z']
加密成功!密文:BJDU
Please input E for encryption or D for decryption:D
请输入密文(大写字母/偶数):BJDU
解密成功!明文:ABC
Please input E for encryption or D for decryption:E
请输入明文(小写字母):abcz
['a', 'b', 'c', 'z']
['a', 'b', 'c', 'z']
['a', 'b', 'c', 'z']
加密成功!密文:BJDU
Please input E for encryption or D for decryption:D
请输入密文(大写字母/偶数):BJDU
解密成功!明文:ABC
Please input E for encryption or D for decryption:

不管了,大家不必死钻这个BUG,如果有啥好办法可以与我交流下,我吃饭去了……

五、总结

  • 有半个月没用python了,列表操作有些竟然忘了。尴尬~
  • list.pop()删除指定下标的元素,默认删除最后一个元素
  • 列表的list.reverse()返回值是None
  • 方法return 1,2  其实是返回一个元组(1, 2)
  • print(int(7/2)) 输出3

 源代码

 # 5*5的矩阵, I与J同, 注意是大写的,也可以自己定义矩阵(不要重复)
SECRET_LIST = [["M","O","N","A","R"],
["C","H","Y","B","D"],
["E","F","G","J","K"],
["L","P","Q","S","T"],
["U","V","W","X","Z"]] #加密
def encryption(clear_text):
#去除空格与逗号
clear_text = clear_text.replace(" ", "").replace(",", "")
list_clear_text = list(clear_text) #字符串转化为列表
print(list_clear_text)
#两个字母为一组,在重复的明文字母中插入填充字母Z
flag = False
while not flag:
list_clear_text = deal_repeat(list_clear_text)[0]
flag = deal_repeat(list_clear_text)[1]
print(list_clear_text)
#若分组到最后一组时只有一个字母,则补充字母Z
if len(list_clear_text) % 2 == 1:
list_clear_text.append("Z")
print(list_clear_text)
#加密的核心代码
encryption_list = core_encryption(list_clear_text) #返回密文列表
return ("").join(encryption_list) #处理一组字线是重复明文字母
def deal_repeat(list_clear_text):
count = 0 #计算列表中有多少组是不同的
flag = False
for i in range(len(list_clear_text)):
if(i % 2 == 1): #列表中的第d奇数个
if(list_clear_text[i] == list_clear_text[i-1]): #第奇数个与前一个(偶数)是否相同
list_clear_text.insert(i, "Z") #有重复明文字母则插入一个填充字母Z 并且退出循环
break
if (list_clear_text[i] != list_clear_text[i - 1]):
count += 1
if count == int(len(list_clear_text) / 2):
flag = True return list_clear_text,flag #返回的是元组 (list_clear_text, flag) #获得字母在矩阵中的行与列
def get_rows_columns(alphabet):
if alphabet == "I": #矩阵中只有25个字母,I同J
alphabet = "J"
for i in range(len(SECRET_LIST)):
for j in range(len(SECRET_LIST[i])):
if (SECRET_LIST[i][j] == alphabet):
return i,j # 加密的核心代码,先找出每一组字母在5*5矩阵 的行与列
def core_encryption(list_clear_text):
encryption_list = []
for i in range(len(list_clear_text)):
if(i % 2 == 0):
x = list_clear_text[i].upper() #将一组字母转为大写,因为矩阵的字母全是大写的
y = list_clear_text[i+1].upper()
x_tuple = get_rows_columns(x) #返回元组形式
y_tuple = get_rows_columns(y)
# print(x_tuple)
# print(y_tuple)
if x_tuple[0] == y_tuple[0]: #若明文字母在矩阵中同行
x_secret = SECRET_LIST[x_tuple[0]][(x_tuple[1] + 1) % 5]
y_secret = SECRET_LIST[y_tuple[0]][(y_tuple[1] + 1) % 5]
elif x_tuple[1] == y_tuple[1]: #若明文字母在矩阵中同列
x_secret = SECRET_LIST[(x_tuple[0] + 1) % 5][x_tuple[1]]
y_secret = SECRET_LIST[(y_tuple[0] + 1) % 5][y_tuple[1]]
else: #若明文字母在矩阵中不同行不同列
x_secret = SECRET_LIST[x_tuple[0]][y_tuple[1]]
y_secret = SECRET_LIST[y_tuple[0]][x_tuple[1]]
encryption_list.append(x_secret)
encryption_list.append(y_secret)
return encryption_list #返回字母加密后的列表 #解密核心代码,返回解密后的明文列表,密文肯定是偶数的,每一组密文字母也肯定是不同的
def core_decryption(list_cipher_text):
decryption_list = []
for i in range(len(list_cipher_text)):
if(i % 2 == 0):
x = list_cipher_text[i]
y = list_cipher_text[i+1]
x_tuple = get_rows_columns(x) #返回元组形式
y_tuple = get_rows_columns(y)
if x_tuple[0] == y_tuple[0]: #若密文字母在矩阵中同行
x_clear = SECRET_LIST[x_tuple[0]][(x_tuple[1] - 1) % 5]
y_clear = SECRET_LIST[y_tuple[0]][(y_tuple[1] - 1) % 5]
elif x_tuple[1] == y_tuple[1]: #若密文字母在矩阵中同列
x_clear = SECRET_LIST[(x_tuple[0] - 1) % 5][x_tuple[1]]
y_clear = SECRET_LIST[(y_tuple[0] - 1) % 5][y_tuple[1]]
else: #若密文字母在矩阵中不同行不同列
x_clear = SECRET_LIST[x_tuple[0]][y_tuple[1]]
y_clear = SECRET_LIST[y_tuple[0]][x_tuple[1]]
decryption_list.append(x_clear)
decryption_list.append(y_clear)
return decryption_list #返回解密后的明文列表(需进一步处理,eg:去掉Z) #解密
def decryption(cipher_text):
cipher_text = cipher_text.replace(" ", "").replace(",", "")
list_cipher_text = list(cipher_text.strip()) #将密文转化为列表
decryption_list = core_decryption(list_cipher_text) #调用函数
if decryption_list[-1] == "Z": #若列表最后一个元素是Z,则删除
decryption_list.pop(-1)
#找出列表应该删除的下标
delete_list = []
for i in range(len(decryption_list)):
if i % 2 == 0: #第偶数个
#不越界
if i+2 < len(decryption_list) and \
decryption_list[i] == decryption_list[i+2] and decryption_list[i+1] == "Z":
delete_list.append(i+1)
#decryption_list.pop(i+1)
delete_list.reverse() #反序,从后往前删除,每次删完下标就不会再变化,我真是太聪明了!
for i in delete_list:
print(i)
decryption_list.pop(i)
return "".join(decryption_list) if __name__ == "__main__":
while True:
choice = input("Please input E for encryption or D for decryption:")
if choice.strip() != "E" and choice.strip() != "D":
print("Input Error")
#加密
if choice.strip() == "E":
clear_text = input("请输入明文:")
print("加密成功!密文:%s" % encryption(clear_text))
#解密
if choice.strip() == "D":
cipher_text = input("请输入密文(大写字母/偶数):")
print("解密成功!明文:%s" % decryption(cipher_text))

 测试用例

 Please input E for encryption or D for decryption:E
请输入明文:we are discovered save yourself
['w', 'e', 'a', 'r', 'e', 'd', 'i', 's', 'c', 'o', 'v', 'e', 'r', 'e', 'd', 's', 'a', 'v', 'e', 'y', 'o', 'u', 'r', 's', 'e', 'l', 'f']
['w', 'e', 'a', 'r', 'e', 'd', 'i', 's', 'c', 'o', 'v', 'e', 'r', 'e', 'd', 's', 'a', 'v', 'e', 'y', 'o', 'u', 'r', 's', 'e', 'l', 'f']
['w', 'e', 'a', 'r', 'e', 'd', 'i', 's', 'c', 'o', 'v', 'e', 'r', 'e', 'd', 's', 'a', 'v', 'e', 'y', 'o', 'u', 'r', 's', 'e', 'l', 'f', 'Z']
加密成功!密文:UGRMKCSXHMUFMKBTOXGCMVATLUKV
Please input E for encryption or D for decryption:D
请输入密文(大写字母/偶数):UGRMKCSXHMUFMKBTOXGCMVATLUKV
解密成功!明文:WEAREDJSCOVEREDSAVEYOURSELF
Please input E for encryption or D for decryption:E
请输入明文: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']
加密成功!密文:RXBJDXDHDUDUDU
Please input E for encryption or D for decryption:D
请输入密文(大写字母/偶数):RXBJDXDHDUDUDU
11
9
5
1
解密成功!明文:AABBBCCCC
Please input E for encryption or D for decryption:

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