传统密码算法实验报告

一、实验目的
1. 理解并掌握传统密码算法的基本原理和实现方法。

2. 通过编程实践，加深对传统密码算法的理解。

3. 分析传统密码算法的优缺点，为后续学习现代密码算法打下基础。

二、实验内容
本次实验主要涉及以下三种传统密码算法：
1. 仿射密码
2. 单表代替密码
3. 维吉尼亚密码
1. 仿射密码
（1）原理简介：仿射密码是一种单字母替换密码，加密公式为：Ci = (ai pi + bi) mod 26，其中Ci为密文，pi为明文，ai和bi为密钥。

（2）算法流程：
① 加密：根据密钥计算密文。

② 解密：根据密钥计算明文。

（3）代码实现（C语言）：
```c
#include <stdio.h>
// 加密函数
void encrypt(char plaintext, char key, char ciphertext) {
int a = key[0] - 'a';
int b = key[1] - 'a';
for (int i = 0; plaintext[i] != '\0'; i++) {
if (plaintext[i] >= 'a' && plaintext[i] <= 'z') {
ciphertext[i] = (a (plaintext[i] - 'a') + b) % 26 + 'a';
} else {
ciphertext[i] = plaintext[i];
}
}
ciphertext[strlen(plaintext)] = '\0';
}
// 解密函数
void decrypt(char ciphertext, char key, char plaintext) {
int a = key[0] - 'a';
int b = key[1] - 'a';
for (int i = 0; ciphertext[i] != '\0'; i++) {
if (ciphertext[i] >= 'a' && ciphertext[i] <= 'z') {
plaintext[i] = (a (ciphertext[i] - 'a' - b + 26) % 26) + 'a';
} else {
plaintext[i] = ciphertext[i];
}
}
plaintext[strlen(ciphertext)] = '\0';
}
int main() {
char plaintext[100] = "hello world";
char key[3] = "ab";
char ciphertext[100], decryptedtext[100];
encrypt(plaintext, key, ciphertext);
decrypt(ciphertext, key, decryptedtext);
printf("Plaintext: %s\n", plaintext);
printf("Ciphertext: %s\n", ciphertext);
printf("Decrypted text: %s\n", decryptedtext);
return 0;
}
```
2. 单表代替密码
（1）原理简介：单表代替密码是一种将明文中的每个字符映射到密文的密码算法。

（2）算法流程：
① 加密：根据代替表将明文映射到密文。

② 解密：根据代替表反向查找密文对应的明文。

（3）代码实现（C语言）：
```c
#include <stdio.h>
#include <string.h>
// 代替表
char substitution_table[26] = {'q', 'w', 'e', 'r', 't', 'y', 'u', 'i',
'o', 'p',
'a', 's', 'd', 'f', 'g', 'h', 'j', 'k', 'l',
'z', 'x', 'c', 'v', 'b', 'n', 'm'};
// 加密函数
void encrypt(char plaintext, char ciphertext) {
for (int i = 0; plaintext[i] != '\0'; i++) {
ciphertext[i] = substitution_table[plaintext[i] - 'a']; }
ciphertext[strlen(plaintext)] = '\0';
}
// 解密函数
void decrypt(char ciphertext, char plaintext) {
for (int i = 0; ciphertext[i] != '\0'; i++) {
plaintext[i] = substitution_table[ciphertext[i] - 'a']; }
plaintext[strlen(ciphertext)] = '\0';
}
int main() {
char plaintext[100] = "hello world";
char ciphertext[100], decryptedtext[100];
encrypt(plaintext, ciphertext);
decrypt(ciphertext, decryptedtext);
printf("Plaintext: %s\n", plaintext);
printf("Ciphertext: %s\n", ciphertext);
printf("Decrypted text: %s\n", decryptedtext);
return 0;
```
3. 维吉尼亚密码
（1）原理简介：维吉尼亚密码是一种多字母替换密码，加密公式为：Ci = (pi ki + mi) mod 26，其中Ci为密文，pi为明文，ki为密钥，mi为明文中的字母位置。

（2）算法流程：
① 加密：根据密钥和明文位置计算密文。

② 解密：根据密钥和密文位置计算明文。

（3）代码实现（C语言）：
```c
#include <stdio.h>
// 加密函数
void encrypt(char plaintext, char key, char ciphertext) {
int key_length = strlen(key);
for (int i = 0; plaintext[i] != '\0'; i++) {
if (plaintext[i] >= 'a' && plaintext[i] <= 'z') {
ciphertext[i] = (plaintext[i] - 'a' + (key[i % key_length] - 'a')) % 26 + 'a';
} else {
ciphertext[i] = plaintext[i];
}
}
ciphertext[strlen(plaintext)] = '\0';
// 解密函数
void decrypt(char ciphertext, char key, char plaintext) {
int key_length = strlen(key);
for (int i = 0; ciphertext[i] != '\0'; i++) {
if (ciphertext[i] >= 'a' && ciphertext[i] <= 'z') {
plaintext[i] = (ciphertext[i] - 'a' - (key[i % key_length] - 'a') + 26) % 26 + 'a';
} else {
plaintext[i] = ciphertext[i];
}
}
plaintext[strlen(ciphertext)] = '\0';
}
int main() {
char plaintext[100] = "hello world";
char key[3] = "key";
char ciphertext[100], decryptedtext[100];
encrypt(plaintext, key, ciphertext);
decrypt(ciphertext, key, decryptedtext);
printf("Plaintext: %s\n", plaintext);
printf("Ciphertext: %s\n", ciphertext);
printf("Decrypted text: %s\n", decryptedtext);
return 0;
```
三、实验总结
本次实验通过对仿射密码、单表代替密码和维吉尼亚密码的编程实现，加深了对传统密码算法的理解。

以下是三种密码算法的优缺点分析：
1. 仿射密码
优点：加密强度较高，破译难度较大。

缺点：密钥选择范围较小，可能存在密钥冲突。

2. 单表代替密码
优点：实现简单，易于理解。

缺点：加密强度较低，破译难度较小。

3. 维吉尼亚密码
优点：加密强度较高，破译难度较大。

缺点：密钥长度较长，密钥管理较为复杂。

通过本次实验，我们对传统密码算法有了更深入的认识，为后续学习现代密码算法奠定了基础。

在今后的学习和工作中，我们将继续深入研究密码学知识，为保障网络安全贡献力量。