【网络安全】【密码学】【北京航空航天大学】实验四、古典密码（上）【C语言实现】

实验四、古典密码（上）

一、实验目的

1、 通过本次实验，了解古典加密算法的主要思想，掌握常见的古典密码。
2、 学会应用古典密码，掌握针对部分古典密码的破译方法。

二、原理简介

古典密码的编码方法主要有两种：置换和代替。置换密码重新排列明文中字符的顺序，不改变字符本身；代替密码不改变明文中的字符顺序，而是将字符替换成其他字符。置换密码通常主要包括列置换和周期置换 2种，代替密码则主要包括单表代替密码和多表代替密码2种。

三、实验内容

1、仿射密码（Affine Cipher）

（1）、算法原理

加密原理：
由式 c = (k * p + b) mod 26 可得，仿射密码的加密原理为，先将明文进行0~25字母编码，再按照该式计算出密文对应位置的字母编码，最后从密文的字母编码还原出密文对应位置的字母，得到密文。

解密原理：
由 c = (k * p + b) mod 26得p = (c – b) * (1/k) mod 26，其中1/k为k在模26下的逆元。先将密文进行0~25字母编码，再按照该式计算出明文对应位置字母的编码，最后从明文的字母编码还原出明文字母，得到明文。

（2）、算法流程

本算法的大致流程如下图所示：

（3）、算法的代码实现（C语言）

#include <stdio.h>
#include <string.h>

char plaintext[10010] = { 0 };
char ciphertext[10010] = { 0 };
int plain[10010] = { 0 };
int cipher[10010] = { 0 };
int k, b;
void encrypt(char plaintext[], int k, int b);
void decrypt(char ciphertext[], int k, int b);
int euclid(int a, int b);
int inverse(int a);


int main()
{
	int input;
	printf("请输入选项：1为加密；2为解密\n");
	scanf("%d", &input);
	
	printf("请输入k的值：\n");
	scanf("%d", &k);

	printf("请输入b的值：\n");
	scanf("%d", &b);
	
	
	printf("你输入的值为：k = %d, b = %d\n", k, b);
	
	if(input == 1)
	{
		// 加密
		printf("请输入要加密的明文：");
		scanf("%s", plaintext);
		printf("加密结果：\n");
		encrypt(plaintext, k, b);
	}

	else if(input == 2)
	{
		// 解密
		printf("请输入要解密的密文：");
		scanf("%s", ciphertext);
		printf("解密结果：\n");
		decrypt(ciphertext, k, b);
	}
	
	else
		printf("错误的选项（只能为1或2）。程序退出。");
		
	return 0;
}


void encrypt(char plaintext[], int k, int b)
{
	int i;
	if(euclid(k, 26) != 1)
	{
		printf("wrong k. try again\n");
		return;
	}
	else
	{
	    for(i = 0;i < strlen(plaintext);i ++)
		{
		    plain[i] = plaintext[i] - 'a';
		    cipher[i] = (plain[i] * k + b) % 26;
		    ciphertext[i] = cipher[i] + 'a';
	    }
	    puts(ciphertext);
	    return;
	}
	return;
}


void decrypt(char ciphertext[], int k, int b)
{
	int i;
	for(i = 0;i < strlen(ciphertext);i ++)
	{
		cipher[i] = ciphertext[i] - 'a';
	    plain[i] = ((cipher[i] - b) * inverse(k)) % 26;
	    if(plain[i] >= 0)
		{
	    	plaintext[i] = plain[i] + 'a';
		}
		else
		{
			plaintext[i] = plain[i] + 26 + 'a';
		}
	     
	}
	puts(plaintext);
	return;
}


int euclid(int a, int b)
{
	if(b == 0)
	{
		return a;
	}
	else
	{
		return euclid(b, a % b);
	}
}


int inverse(int a)
{
	int i;
	for(i = 1;i < 26;i ++)
	{
		if((a * i) % 26  == 1)
		{
			return i;
		}
	}
	
	return -1;
}

（4）、算法测试

加密过程演示：

参数：k = 3, b = 3, 明文：ciphertext

运行截图：

得到的密文：jbwypcipui

解密过程演示：

参数：k = 3, b = 3, 密文：jbwypcipui

运行截图：

得到的明文：ciphertext

“鲁棒性”：

（1）、输入了错误的选项：

（2）、输入的k和26不互素：

2、单表代替密码（Substitution Cipher）

（1）、算法原理

加密原理：利用代替表，将明文中的每个字符映射到密文。
解密原理：通过对代替表进行反向查找，由密文映射回明文。

（2）、算法流程

加密流程：

解密流程：

（3）、算法的代码实现（C语言）

#include <stdio.h>
#include <string.h>

char sub_table[26] = {'q','a','z','w','s','x','e','d','c','r','f','v','t','g','b','y','h','n','u','j','m','i','k','l','o','p'};
char plaintext[10010] = { 0 };
char ciphertext[10010] = { 0 };
int plain[10010] = { 0 };
int cipher[10010] = { 0 };

void sub_encrypt(char plaintext[]);
void sub_decrypt(char ciphertext[]);

int main()
{
	int input;
	printf("请输入选项：1为加密；2为解密\n");
	scanf("%d", &input);
	
	if(input == 1)
	{
		// 加密
		printf("请输入要加密的明文：");
		scanf("%s", plaintext);
		printf("加密结果：\n");
		sub_encrypt(plaintext);
	}
	
	else if(input == 2)
	{
		// 解密
		printf("请输入要解密的密文：");
		scanf("%s", ciphertext);
		printf("解密结果：\n");
		sub_decrypt(ciphertext);
	}
	
	else
		printf("错误的选项（只能为1或2）。程序退出。");
	
	return 0;
}


// 加密函数
void sub_encrypt(char plaintext[])
{
	int i;
	for(i = 0;i < strlen(plaintext);i ++)
	{
		plain[i] = plaintext[i] - 'a';
		ciphertext[i] = sub_table[plain[i]];
	}
	puts(ciphertext);
	return;
}


// 解密函数
void sub_decrypt(char ciphertext[])
{
	int i, j;
	for(i = 0;i < strlen(ciphertext);i ++)
	{
		for(j = 0;j < 26;j ++)
		{
			if(ciphertext[i] == sub_table[j])
			{
				plaintext[i] = j + 'a';
			}
		}
	}
	puts(plaintext);
}

（4）、算法测试

加密过程演示：

明文：thisisastring
密文：jdcucuqujncge
运行截图：

解密过程演示：

密文：jdcucuqujncge
明文：thisisastring

运行截图：

3、维吉尼亚密码（Vigenere Cipher）

（1）、算法原理（及流程）

加密原理：加密过程的一般方程是 Ci = (pi + k(i mod m)) mod 26，通过该方程即可由明文得到密文；
解密原理：解密过程是加密过程的逆过程，解密过程的一般方程是pi = (Ci – k(i mod m)) mod 26.

（2）、算法的代码实现（C语言）

#include <stdio.h>
#include <string.h>

char plaintext[10010] = { 0 };
char ciphertext[10010] = { 0 };
int plain[10010] = { 0 };
int cipher[10010] = { 0 };

char key[20] = { 0 };

void vig_encrypt(char plaintext[], char key[]);
void vig_decrypt(char ciphertext[], char key[]);

int main()

{
	printf("该程序实现维吉尼亚密码。请输入密钥：\n");
	gets(key);
	
	int input;
	printf("请输入选项：1为加密；2为解密\n");
	scanf("%d", &input);
	
	if(input == 1)
	{
		// 加密
		printf("请输入要加密的明文：");
		scanf("%s", plaintext);
		printf("加密结果：\n");
		vig_encrypt(plaintext, key);
	}
	
	else if(input == 2)
	{
		// 解密
		printf("请输入要解密的密文：");
		scanf("%s", ciphertext);
		printf("解密结果：\n");
		vig_decrypt(ciphertext, key);
	}
	
	else
		printf("错误的选项（只能为1或2）。程序退出。");
		
	return 0;
}


// 加密函数
void vig_encrypt(char plaintext[], char key[])
{
	int i;
	for(i = 0;i < strlen(plaintext); i ++)
	{
		plain[i] = plaintext[i] - 'a';
		cipher[i] = (plain[i] + (key[(i % strlen(key))] - 'a')) % 26;
		ciphertext[i] = cipher[i] + 'a'; 
	}
	puts(ciphertext);
	return;
}


// 解密函数
void vig_decrypt(char ciphertext[], char key[])
{
	int i;
	for(i = 0;i < strlen(ciphertext); i ++)
	{
		cipher[i] = ciphertext[i] - 'a';
		plain[i] = cipher[i] - (key[(i % strlen(key))] - 'a');
		if(plain[i] < 0)
		{
			plain[i] += 26;
		}
		plaintext[i] = plain[i] + 'a'; 
	}
	puts(plaintext);
	return;	
}

（3）、算法测试

密钥：lemon
明文：defuzongxiangsihua
密文：oirimzrslvlrsgvsym

运行截图：

加密过程：

解密过程：

四、参考文献

1、《密码编码学与网络安全——原理与实践（第七版）》（Cryptography and Network Security, Principles and Practice, Seventh Edition），【美】威廉 斯托林斯 William Stallings 著，王后珍等 译，北京，电子工业出版社，2017年12月。

2、《密码学实验教程》，郭华 刘建伟等 主编，北京，电子工业出版社，2021年1月。