1、实验一 古典密码算法实验一、实验目的(1)掌握密码学基础知识，包括明文、密文、密钥、加密和解密等基本概念。(2)掌握古典密码基础知识，掌握代替密码算法和置换密码基本原理。(3)掌握移位密码、维吉尼亚密码、周期置换密码、列置换密码的基本原理。(4)熟悉编程环境，掌握古典密码算法的编程实现方法。二、实验内容编程实现移位密码、维吉尼亚密码、周期置换密码、列置换密码算法，分别用这些加密算法对文本数据进行加密，更换不同的密钥，查看加密后的密文的变化。要求上述密码算法最后的实现程序提供加密和解密两个接口函数：int encrypt(char* plain, char* cipher, char * key
2、)和int decrypt(char* plain, char* cipher, char * key)，当加密或解密成功时返回CRYPT_OK，失败时返回CRYPT_ERROR 。三、实验环境运行Windows 或Linux 操作系统的PC 机，具有gcc(Linux)、VC(Windows)等C语言编译环境。四、实验原理在密码编码体制中有两种最基本也是最古老的编码体制一直沿用至今，它们是代替密码和置换密码，其历史悠久并且是现代密码体制的基本组成部分，在密码学中占有重要地位。古典密码是密码学发展的一个阶段，也是近代密码学产生的渊源，一般把Shannon 在1949年发表“保密系统的通信理论”
3、之前的时期称为古典密码时期。尽管古典密码大多比较简单，一般可用手工或机械方式实现，且都可用统计分析方法破译，目前已很少采用。但是，古典密码所采用的代替技术和置换技术仍然是现代分组密码算法设计的基础，了解它们的设计原理，有助于理解、设计和分析现代密码。代替(Substitution) 是古典密码中最基本的处理技巧，就是将明文字母由其他字母表中的字母替换的一种方法。代替密码(Substitution Cipher) 就是使用代替法进行加解密的密码算法。代替密码的密钥是一个替换表，它表示了明文字母与密文字母的对应关系。加密时，通过查表，明文字母被逐个替换后，生成看似无任何意义的字母串，即密文。解密时
4、，逆向使用替换表，将密文字母逐个替换为明文字母。按照一个明文字母是否总是被一个固定的字母代替进行划分，代替密码可分为两类：(1)单表代替密码(Monoalphabetic Substitution Cipher)：明文中出现的同一个字母，不管它出现在什么位置，在加密时都用相同的字母来代替。移位密码就是单表代替密码。(2)多表代替密码(Polyalphabetic Substitution Cipher)：明文中出现的同一个字母，在加密时不是完全被相同的字母代替，而会根据其出现的位置次序用不同的字母代替。维吉利亚密码就是多表代替密码。1.移位密码移位密码(Shift Cipher)是一种典型的单
5、表替代密码，也称为加法密码。移位密码的加密方法就是将明文中的每个字母用其在字母表后面的第k个字母替代，它的加密过程可以表示为：c = (m + k) mod n其中，m为明文字母在字母表中的位置数； n为字母表中的字母总数；k为密钥；c为密文字母在字母表中对应的位置数。相应的，移位密码的解密过程可以表示为：m = (c - k) mod n移位密码的一个典型代表就是凯撒密码(Ceaser Cipher)，它是k=3时的移位密码。使用英文字母表的撒密码的加(解 )密可以表示为：m = (c + 3) mod 26 m = (c - 3) mod 26例如， 明文：attacks at nine
6、am 密钥：3 加密：将明文分组对每一个密文字母，依英文字母表，用其右的第3个字母代替 密文：dwwdfnv dw qlqh dp另外，使用凯撒密码加密后的密文“dwwdfnvdwilyhsp”，其明文为“attacks at five pm”。2.维吉尼亚密码维吉尼亚密码(Vigenere Cipher)是一种多表代替密码，其本质是周期移位密码。维吉尼亚密码的( 用户)密钥为一含有d个字母的有限字母序列：k = k0k1kd-1加密时，首先将用户密钥进行周期扩展(周期为d) ，扩展后的无限字母序列称为工作密钥，记为：K = K0K1Ki其中Ki = Ki mod d ，i=0,1,当d=1时
7、，维吉尼亚密码就是移位密码。对于含有l 个字母的明文，维吉尼亚加密过程可以表示为：ci = (miK i) mod n其中，M = m 0m1miml-1 为明文，C = c0c1cicl-1为密文， K = K0K1KiKl-1 为工作钥，n为明文字母表的长度，l为明文长度(含有字母的数目)。例如，使用用户钥cat，对明文“vigenere cipher”进行维吉尼亚加密。此时，n=26(对应英文字母表)，用户钥c=3、a=0 、t=19，得到的密文为“xizgnxtevkpagr”。置换(Permutation)是古典密码中另一种基本的处理技巧，就是将明文中的字母重新排列，字母本身不变，只
8、是改变其位置。置换密码(Substitution Cipher)就是使用置换法进行加解密的密码算法，也称为换位密码。置换密码的密钥是一个置换，它表示了明文字母在密文中出现的位置。例如，使用密钥 =(3421)，对明文“ming”进行加密，得到的密文为“ngim”。3.周期置换密码周期置换密码是将明文字母按一定长度m 进行分组，把每个分组中的字母按1,2,m 的一个置换 重排位置次序来得到密文的一种加密方法。其中的密钥就是置换，在 的描述中包含了分组长度的信息。解密时，对密文字符按长度m进行分组，并按的逆置换把每组字符重排位置次序来得到明文。例如， 明文：ming chen jiu dian f
9、a dong fan gong 加密密钥：3421(i=1,2,3,4的一个置换(i)=3,4,2,1) 加密：将明文分组(4 个字母一组 )，然后根据加密密钥给定的置换，对每个明文分组进行置换ming chen jiud ianf adon gfan gongngim enhc udij nfai onda anfg ngog 密文：ngimenhcudijnfaiondaanfgngog 解密密钥：4312(3412 的逆置换 )4.列置换密码列置换密码也称为矩阵置换密码。其加解密方法如下：把明文字符以固定的宽度m(分组长度)水平地(按行) 写在一张纸上，按1,2,m 的一个置换 交换列的
10、位置次序，再按垂直方向(即按列) 读出即得密文。解密就是将密文按相同的宽度m 垂直在写在纸上，按置换的逆置换交换列的位置次序，然后水平地读出得到明文。置换就是密钥。例如， 明文：ming chen jiu dian fa dong fan gong 密钥：yu lan hua 加密：去掉密钥重复字母得 yulanh，得到密钥字母顺序 653142，得出距阵列数为6，将明文按行填充距阵，按列( 依顺序) 写出距阵中的字母，如表 1-1所示。 密文：giffg hddn0 njngn cuaa0 inano meiog(其中0为无效字符) 解密：加密的逆过程表1-1 列置换密码矩阵五、实验任务和步
11、骤(1)根据实验原理部分对移位密码的介绍，自己创建明文信息，并选择一个密钥，编写移位密码的实现程序，实现加密和解密操作。#include /#include #include #include #include void main() /*移位密码*/ char c100; int length, i=0, key=0; system(“cls“);/clrscr(); printf(“*Shift Cipher*nPlease input primal sentence: “); gets(c); length = strlen(c); printf(“Input the key(026):
12、 “); scanf(“%d“, getchar(); if(key96k=strlen(m);for(i=0;ij)keyk=keyk%j;keyi=0;puts(key);system(“PAUSE“);printf(“加密后密文为:“);jiami(m,c,key);printf(“解密后明文为:“);jiemi(c,m,key);system(“PAUSE“);(3)根据实验原理部分对周期置换密码的介绍，自己创建明文信息，并选择一个密钥，编写周期置换密码的实现程序，实现加密和解密操作。#include#include#define MAX 100#define CRYPT_OK 1#d
13、efine CRYPT_ERROR 0int decrypt(char plain, char cipher, int key, int k)char aMAX;printf(“加密后密文为:“);int flag=0, n=0, i=0, j=0, bMAX; for(i=0;i #include using namespace std;void jiami()char str100;char str1100;char a100;cout=len)t=0;j+;j1=j;t1=t;else;strcpy(str1,str);for(int i=0;istr1j+1)char ch=str1j;str1j=str1j+1;str1j+1=ch;for(int i=0;i=le)j=0;t+;else;strcpy(str1,str);for(int i=0;istr1j+1)char ch=str1j;str1j=str1j+1;str1j+1=ch;for (int i=0;ichoice;switch (choice)case 1:jiami();break;case 2:jiemi();break;default:break;system(“pause“); return 0;
