实验一 古典密码-Vigernere算法实验-2017

实验一古典密码-Vigenere算法

一、实验目的

1、理解简单加密算法的原理；

2、掌握Vigenere密码的原理，完成Vigenere密码加解密程序的编写；

3、通过实验，加深对古典密码体制的了解，掌握对字符进行灵活处理的方法。

二、实验预习提示

1、多表代换密码

多表代换密码是指以一系列（两个以上）代换表一次对明文消息空间中的明文消息元素进行代换的加密方法。如果代换序列为非周期的无限序列，即对每个明文字母都采用不同的代换表（或密钥）进行加密，则相应的密码称为一次一密钥密码。

一次一密钥密码是理论上唯一不可破译的密码，可称为是无条件安全的。如果一个密码体制被称为是无条件安全的，即是指即便提供无穷的计算资源，密码分析者也无法攻破该密码体制。如果一个密码体制被称为是计算安全的，则是指密码分析者根据可利用的资源无法攻破该密码体制。

由于一次一密钥密码需要的密钥量和明文消息长度相同，因而难以广泛使用。为了减少密钥量，在实际应用中多采用周期多表代换密码，即代换表个数有限，重复地使用。典型的多表代换密码包括维吉尼亚（Vigenere）密码、博福特（Beaufort）密码、滚动密钥（running-key）密码、弗纳姆（Vernam）密码和转轮（rotor machine）密码等。

2、Vigenere密码概述

Vigenere密码译为维吉尼亚密码或维热纳尔密码，维吉尼亚密码曾多次被发明。该方法最早记录在吉奥万•巴蒂斯塔•贝拉索（Giovan Battista Bellaso）于1553年所著的书《吉奥万•巴蒂斯塔•贝拉索先生的密码》（意大利语：La cifra del. Sig. Giovan Battista Bellaso）中。然而，后来在19世纪时被误传为是法国外交官布莱斯•德•维吉尼亚（Blaise De Vigenère）所创造，因此现在被称为“维吉尼亚密码”。

3、Vigenere密码

Vigenere密码是使用一系列恺撒密码组成密码字母表的加密算法，属于多表密码的一种简单形式。在一个恺撒密码中，字母表中的每一字母都会作一定的偏移，而Vigenere密码则是由一些偏移量不同的恺撒密码组成。为了生成密码，需要使用表格法。这一表格包括了26行字母表，每一行都由前一行向左偏移一位得到，相当于将26个恺撒密表合成一个，如表 2.2.1所示。具体使用哪一行字母表进行编译是基于密钥进行的，在过程中会不断地变换。

表2.2.1 维吉尼亚密码表

例如，假设明文为：

ATTACKATDAWN

选择某一关键词并重复而得到密钥，如关键词为LEMON时，密钥为：

LEMONLEMONLE

对于明文的第一个字母A，对应密钥的第一个字母L，于是使用表格中L行字母表进行加密，得到密文第一个字母L。类似地，明文第二个字母为T，在表格中使用对应的E行进行加密，得到密文第二个字母X。以此类推，可以得到：

明文：ATTACKATDAWN

密钥：LEMONLEMONLE

密文：LXFOPVEFRNHR

解密的过程则与加密相反。例如：根据密钥第一个字母L所对应的L行字母表，发现密文第一个字母L位于A列，因而明文第一个字母为A。密钥第二个字母E对应E行字母表，而密文第二个字母X位于此行T列，因而明文第二个字母为T。以此类推便可得到明文。

Vigenere密码是一种以移位代换为基础的周期代换密码，其加密变换为：

E ki(m i) = m i + k i = c i mod N

解密变换为：

D ki(c i) = c i - k i = m i mod N

其中，k i∈K是密钥，m i∈M是明文，c i∈C是密文，N为明文字母表的长度。

可见，Vigenere密码与实验一中的单表移位密码的区别仅仅在于：单表移位密码中的位移量k是一个固定的常数；而Vigenere密码中的k i是变化的，字母的位置不同，则所采用的位移量也不同。

本实验通过编写一个简单的Vigenere密码加密和解密程序，了解加密和解密内部的过程和相关概念，更加深入地了解其原理，掌握Vigenere算法。

三、实验过程和指导

（一）实验要求

根据Vigenere密码的原理编写程序，对输入的符号串能够根据设置的密钥分别正确实现Vigenere加密和解密功能。

（二）实验准备

1、阅读教材有关章节，理解简单加密算法的原理，掌握Vigenere密码的原理。

2、初步编制好程序。

3、准备好多组测试数据。

（三）上机实验

将编写好的源代码输入计算机并进行调试分析，发现错误，再修改完善，最终实现实验所要求的功能。

（四）程序思路（仅供参考）

首先获取要加密或解密的内容以及使用的密钥，由于Vigenere密码是由一些偏移量不同的恺撒密码组成，因此需要将待加密或解密的内容中每个字符取出，然后针对每个字符分别加以移位处理。主要步骤如下：

1、读取要加密或解密的字符串以及使用的密钥

为简单起见，程序中可通过命令行输入要加密或解密的字符串，以及加密和解密所使用的密钥。

2、取出要加密或解密的字符串中的每个字符

取出每个字符，准备分别加以移位。

3、对每个字符进行移位处理

由于Vigenere密码是由一些偏移量不同的恺撒密码所组成的，因此与恺撒密码类似，在移位后可能发生超界，需要对出现超界的情况进行处理。此外，由于大写字母和小写字母判断是否超界的依据不同，因此程序中应将字符分为大写和小写分别处理。

（五）注意事项

1、模块化设计：将程序分成合理的多个模块（函数），每个模块做具体的同一事情。具体到本实验，可分别编写两个函数，分别实现Vigenere加密和解密功能；

2、注意养成良好的编程风格，如空行的使用、注释的使用、缩进的使用等。

（六）分析与思考

在完成Vigenere加密和解密基本功能的基础上，进一步扩展程序功能，实现对文件的Vigenere加密和解密功能。

四、实验提交材料

1、程序源代码；

2、测试数据；

Vigenere加密和解密的实验测试数据，解密测试数据包括输入密钥正确时正确解密所得到的原始明文信息，以及输入密钥错误时解密所得到的相关明文信息。

3、实验报告。

实验报告应包括以下内容：实验名称、实验目的、实验内容及要求、实验过程及结果、实验中的问题及心得。

实验格式参见“附录：实验报告样例”。