信息安全－1：python之playfair密码算法详解[原创]

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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

 

 

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

• 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)

 

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

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：