古典密码学.docx

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古典密码学

现代密码学与加解密技术实验报告

实验名称

Vigenere和Columnpermutationcipher的编程实现

班级

学号

姓名

日期

成绩

评阅人

软件学院

一、实验目的与意义

实验目的：

通过编程实现Vigenerecipher和Columnpermutationcipher的加、解密算法，加深对古典密码体制的了解，为深入学习密码学奠定基础。

实验意义：

通过本次实验验证学习过的理论知识，更进一步的了解替代密码的加密过成功，更重要的是通过实验加强实验手段与实践技能，培养分析问题、解决问题、应用知识的能力和创新精神，全面提高综合素质

二、实验环境

操作系统：

Windows7

调试软件名称及版本号：

VC++6.0

上机地点：

综合楼311

三、实验的预习内容

1、Vigenercipher

实验前预习主要内容：

（1）预习有关Vigenerecipher加密和解密的原理。

（2）预习二维数组的操作，利用二维数组将表显示出来。

（3）找到将关键字重复写在明文上的过程。

实验思路：

（1）加密过程为输入明文和密钥，将明文和密钥的长度进行比较，根据情况将密钥进行扩展，之后按照Vieneretable进行查表找到相对应的密文。

（2）解密过程和加密过程的原来基本相同，在这不进行赘述。

程序框图：

加/解密

Y

2、Columnpermutationcipher

实验前预习内容：

（1）预习有关Columnpermutationcipher加密和解密的原理。

（2）掌握二维数组的操作，利用二维数组将明文存放在矩阵当中。

（3）掌握排序算法，将密钥字母进行排序找到输出列的顺序。

实验思路：

（1）加密过程，将明文和密钥输入，将明文放入到矩阵当中，并且计算是否需要添加无效字符‘q’。

之后利用冒泡排序将密钥字符进行排序，得到读取列的顺序，进而将密文输出。

（2）解密过程，将密文和密钥输入，将密文排序以便恢复明文矩阵，之后进行列读取将明文矩阵恢复。

该过程和加密过程相似。

程序框图：

加/解密

四、实验的步骤与调试方法

1、Vigenerecipher

实验步骤：

（1）建立win32consoleapplication工作空间。

（2）建立源文件。

（3）构建Vigenere表。

for（i=0;i<26;i++）

{

for（j=0;j<26;j++）

{

table[i][j]=a[（j+i）%26];

}

}

（4）根据密钥和明文的长度情况扩展密钥。

if（key_len

{

for（i=key_len;i

{

key[i]=key[（i%key_len）];

}

}

（5）根据密钥和明文的对应情况，查表得到结果。

for（i=0;i<26;i++）

{

for（j=0;j<26;j++）

{

table[i][j]=a[（j+i）%26];

}

}

（6）解密过程和加密过程相似，只是在查表的时候为逆查表。

for（i=0;i

{

//在表中进行逆查表找到明文字母

for（j=0;j<26;j++）

{

if（table[（key[i]-97）][j]==str[i]）

printf（"%c",table[0][j]）;

}

}

（7）进行编译、链接、执行，按照提示输入密钥和明文（密文）。

遇到的问题和调试方法：

（1）在实验进行加密操作显示Vigeneretable时，总是出错，经过检查发现我忽略了在字母表移位过程后需要进行一次模操作，经过修改，Vigenertable正常显示。

2、Columnpermutationcipher

实验步骤：

（1）建立win32consoleapplication工作空间。

（2）建立源文件。

（3）确定矩阵的形状以及是否需要填充无效字符。

//计算矩阵的行数以及是否需要填充无效字符

t3=str_len%key_len;//多出来的字符

if（t3==0）

{

line=str_len/key_len;//明文矩阵的行数

add=0;//需要填充的无效字符的个数

}

else

{

line=str_len/key_len+1;//明文矩阵的行数

add=key_len-t3;//需要填充的无效字符的个数

}

（4）处理密钥，得到列读取顺序。

for（i=0;i

{

num[i]=0;

for（j=0;j

{

if（key[j]<=key[i]）

{

num[i]=num[i]+1;

}

if（key[j]==key[i]&&j>i）//字符相同的情况

num[i]=num[i]-1;

}

}

（5）将明文填充到矩阵当中，如果需要补充无效字符。

if（add!

=0）

{

for（i=0;i

{

str[str_len+i]='q';

}

}

for（i=0;i

{

for（j=0;j

{

a[i][j]=str[i*key_len+j];

}

}

（6）之后按照列的顺序读取密文。

（7）解密过程和加密过程相似，只是恢复明文矩阵时为按列恢复。

for（i=0;i

{

for（j=0;j

{

a[j][num[i]-1]=str[i*line+j];

}

}

（8）进行编译、链接、执行，按照提示输入密钥和明文（密文）。

遇到的问题和调试方法：

（1）在开始确定明文是否需要补充无效字符时，发现无法在矩阵最后加入无效字符，执行时发现程序中间便终止，无法正常进行，最后发现在补充无效字符时出现逻辑错误，将无效字符添加到了矩阵外，因而出现了错误，最后我将无效字符直接添加到了明文中，这样便可以直接将其填入明文矩阵。

五、实验数据与实验结果

1、Vigenerecipher

程序开始的界面，如果加密则选择1，如果要进行解密操作选择2。

之后进行加密操作，密钥为cipher，明文为vigenerecipher。

进行解密过程，密钥为cipher，密文为xqvlrvtmrptygz（上文密文）。

经过上述过程，发现结果相同，因此，实验过程正确。

2、Columnpermutationcipher

程序开始的界面，如果加密则选择1，如果要进行解密操作选择2。

之后进行加密操作，密钥为cipher，明文为columnpermutation,得到的密文为cpaumomunlrioetntq

进行解密，密钥为cipher，密文为cpaumomunlrioetntq（上文密文）。

经过上述过程，发现结果相同，因此，实验过程正确。

六、实验用程序清单（要有注释）

1、Vigenerecipher

#include

#include

#include

voidencryption（）

{

inti,j;

charkey[20];//密钥

charstr[100];//明文

intkey_len,str_len;//密钥长度

chartable[26][26];//表

chara[26]={'a','b','c','d','e','f','g','h','i','j','k','l','m','n','o','p','q','r','s','t','u','v','w','x','y','z'};

printf（"请输入密钥：

"）;

scanf（"%s",&key）;

printf（"请输入明文：

"）;

scanf（"%s",&str）;

key_len=strlen（key）;//密钥长度

str_len=strlen（str）;//明文长度

if（key_len

{

for（i=key_len;i

{

key[i]=key[（i%key_len）];

}

printf（"扩展密钥为：

"）;

for（i=0;i

{

printf（"%c",key[i]）;

}

}

for（i=0;i<26;i++）

{

for（j=0;j<26;j++）

{

table[i][j]=a[（j+i）%26];

}

}

/*printf（"\n显示表：

\n"）;

for（i=0;i<26;i++）

{

for（j=0;j<26;j++）

{

printf（"%c",table[i][j]）;

}

printf（"\n"）;

}*/

printf（"\n密文：

"）;

for（i=0;i

{

printf（"%c",table[（str[i]-97）][（key[i]-97）]）;

}

printf（"\n"）;

}

voiddecryption（）

{

inti,j;

intkey_len,str_len;//密钥长度，密文长度

charkey[20];//密钥

charstr[100];//密文

chartable[26][26];//表

chara[26]={'a','b','c','d','e','f','g','h','i','j','k','l','m','n','o','p','q','r','s','t','u','v','w','x','y','z'};

printf（"请输入密钥：

"）;

scanf（"%s",&key）;

printf（"请输入密文：

"）;

scanf（"%s",&str）;

key_len=strlen（key）;//密钥长度

str_len=strlen（str）;//密文长度

if（key_len

{

for（i=key_len;i

{

key[i]=key[（i%key_len）];

}

printf（"扩展密钥为：

"）;

for（i=0;i

{

printf（"%c",key[i]）;

}

}

for（i=0;i<26;i++）

{

for（j=0;j<26;j++）

{

table[i][j]=a[（j+i）%26];

}

}

printf（"\n明文：

"）;

for（i=0;i

{

//在表中进行逆查表找到明文字母

for（j=0;j<26;j++）

{

if（table[（key[i]-97）][j]==str[i]）

printf（"%c",table[0][j]）;

}

}

printf（"\n"）;

}

voidmenu（）

{

printf（"********************VigenereCipher加解密过程********************\n"）;

printf（"1.加密\n"）;

printf（"2.解密\n"）;

}

voidmain（）

{

inti;

menu（）;

printf（"请选择你要进行的操作：

\n"）;

scanf（"%d",&i）;

if（i==1）

{

system（"cls"）;

encryption（）;

}

else

{

system（"cls"）;

decryption（）;

}

}

2、Columnpermutationcipher

#include

#include

#include

//加密过程

voidencryption（）

{

charkey[20];//密钥

charstr[100];//明文

intnum[20];//确定密文读取列数的顺序

chara[20][20];//保存明文的矩阵

intkey_len,str_len;///密钥和明文的长度

intline,t3,add;//填充的行数和需要补充的无效字符的个数

inti=0,j=0;

printf（"请输入密钥：

"）;

scanf（"%s",&key）;

printf（"请输入明文：

"）;

scanf（"%s",&str）;

key_len=strlen（key）;//密钥长度

str_len=strlen（str）;//明文长度

//计算矩阵的行数以及是否需要填充无效字符

t3=str_len%key_len;//多出来的字符

if（t3==0）

{

line=str_len/key_len;//明文矩阵的行数

add=0;//需要填充的无效字符的个数

}

else

{

line=str_len/key_len+1;//明文矩阵的行数

add=key_len-t3;//需要填充的无效字符的个数

}

//处理密钥，确定读取密文读取顺序

for（i=0;i

{

num[i]=0;

for（j=0;j

{

if（key[j]<=key[i]）

{

num[i]=num[i]+1;

}

if（key[j]==key[i]&&j>i）//字符相同的情况

num[i]=num[i]-1;

}

}

printf（"密文列的读取顺序：

"）;

for（i=0;i

printf（"%d",num[i]）;//输出密钥结果

printf（"\n"）;

//将明文填充到矩阵当中

//如果需要在矩阵中添加无效字符q

if（add!

=0）

{

for（i=0;i

{

str[str_len+i]='q';

}

}

for（i=0;i

{

for（j=0;j

{

a[i][j]=str[i*key_len+j];

}

}

printf（"将明文装填到矩阵当中\n"）;//打印装填后的矩阵

for（i=0;i

{

for（j=0;j

{

printf（"%c",a[i][j]）;

}

printf（"\n"）;

}

printf（"密文为：

"）;

for（i=0;i

{

for（j=0;j

{

printf（"%c",a[j][（num[i]-1）]）;

}

}

printf（"\n"）;

}

//解密过程

voiddecryption（）

{

charkey[20];//密钥

charstr[100];//密文

intkey_len,str_len;///密钥和密文的长度

intnum[20];//确定读取列数的顺序

chara[20][20];//明文矩阵

intline;//行数

inti,j;

printf（"请输入密钥：

"）;

scanf（"%s",&key）;

printf（"请输入密文：

"）;

scanf（"%s",&str）;

key_len=strlen（key）;//密钥长度

str_len=strlen（str）;//密文长度

line=str_len/key_len;//行数

//处理密钥，确定读取密文读取顺序，以便恢复明文矩阵

for（i=0;i

{

num[i]=0;

for（j=0;j

{

if（key[j]<=key[i]）

{

num[i]=num[i]+1;

}

if（key[j]==key[i]&&j>i）//字符相同的情况

num[i]=num[i]-1;

}

}

printf（"密文列的读取顺序：

"）;

for（i=0;i

printf（"%d",num[i]）;//输出密钥结果

printf（"\n"）;

//恢复明文矩阵

for（i=0;i

{

for（j=0;j

{

a[j][num[i]-1]=str[i*line+j];

}

}

printf（"明文为"）;

for（i=0;i

{

for（j=0;j

{

printf（"%c",a[i][j]）;

}

}

printf（"\n"）;

}

voidmenu（）

{

printf（"********************列置换密码加解密********************\n"）;

printf（"1.加密\n"）;

printf（"2.解密\n"）;

}

voidmain（）

{

inti;

menu（）;

printf（"请选择你要进行的操作：

\n"）;

scanf（"%d",&i）;

if（i==1）

{

system（"cls"）;

encryption（）;

}

else

{

system（"cls"）;

decryption（）;

}

}

七、思考题（必需回答）写明如下问题

1、Vigenere密码的原理是什么？

答：

原理是多表替代。

2、Vigenere密码的主要缺陷有哪些？

答：

主要缺陷是密钥的重复书写和密钥短。

3、对Vigenere密码的分析方法有哪几种？

答：

分析方法主要是Kasiski测试法和重合指数法。

4、对Vigenere密码的改进方法是什么？

答：

对Vigenere密码的改进方法是Autokey密码。

5、Columnpermutationcipher的原理是什么？

答：

原理是置换。

6、给定关键字为“experiment”,加密矩阵将包括几列，以及列置换的次序是什么？

答：

加密矩阵有10列，列置换的顺序为第1,10,7，2,8,4,5,3,6,9列。

7、简述对Columnpermutationcipher的分析方法。

答：

首先通过密文字符的长度确定矩阵的形状，之后进行频率分析来还原列的顺序。

8、Columnpermutationcipher的安全性增强方法是什么？

答：

使用Double-Transposition密码。

八、结束语

通过本次试验我对Vigenere加密算法和Columnpermutation密码有了更加全面深入的认识，以前的学习只是停留在理论层面，而这次课程给了我实践的机会。

通过实验很好的把古典密码应用于现代密码加解密技术中。

在这个过程中我也学到了很多关于编程方面的知识，提高了自己的编程水平。

九、参考文献

1、RichardJ.Spillman：

《CLASSICAL AND CONTEMPORARY CRYPTOLOGY》，清华大学出版社，2005-7

实验成绩

考查内容

分数

得分

做好实验内容的预习，写出预习报告

10

了解实验题目的调试方法

10

按实验要求预先设计好程序

10

认真记录实验数据并分析实验结果

10

实验后按要求书写实验报告，记录实验用数据及运行结果

30

创新能力强，在实验中设计的程序有一定的通用性，算法优化

20

实验过程中，具有严谨的学习态度，认真、踏实、一丝不苟的科学作风

10