实验一古典密码算法的设计与实现

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文章目录

实验一古典密码算法的设计与实现
- 一、实验目的
- 二、实验任务
- 三、实验环境
- 四、实验原理
- - 4.1 替代密码
  - 4.2 置换密码
- 五、程序设计核心代码
- 六、实验结果及软件使用说明
- - 1. 替代密码
- 七、源代码

实验一古典密码算法的设计与实现

一、实验目的

通过编程实现替代密码和置换密码算法，加深对古典密码体制对了解，为深入学习密码学奠定基础。

二、实验任务

实验内容与要求：自己生成明文，并选择一个密钥，编程实现一种替代密码和一种置换密码算法，实现加解密操作，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，提供图形化用户界面（选做）。提交核心程序代码和执行结果，并撰写实验报告。

三、实验环境

信息楼西505，Windows10，python3.9.7

四、实验原理

4.1 替代密码

密钥生成：替代密码的关键是一个密钥，该密钥定义了明文字符和密文字符之间的映射关系。密钥通常是一个简单的置换表，其中包含字母表的不同排列。
加密：加密过程涉及将明文中的每个字符替换为密钥中相应字符。例如，如果密钥规定字母A映射到密文中的字母D，则在加密时，所有的A都会被替换为D。
解密：解密是加密的逆过程，涉及将密文字符替换为明文字符。如果在加密中A映射到D，那么在解密中D将被替换为A。
单字母替代和多字母替代：替代密码可以是单字母替代，其中每个明文字母都被替换为一个密文字母，也可以是多字母替代，其中一组字母被替换为另一组字母或符号。

4.2 置换密码

单行置换密码：
密钥生成：单行置换密码使用一个密钥，通常是一个数字或单词，表示重新排列字符的规则。
加密：将明文按照密钥规定的顺序重新排列，然后读取排列后的字符以生成密文。例如，如果密钥是2314，那么明文中的第一个字符就会被移到第二个位置，第二个移到第三个位置，以此类推。

解密：解密过程是加密过程的逆操作，按照密钥规定的逆序重新排列密文即可还原为明文。
多行置换密码：
密钥生成：多行置换密码使用一个矩阵作为密钥，规定了字符的排列顺序。
加密：将明文按照矩阵的规定，逐行写入矩阵，然后按列读取，得到密文。例如，如果密钥矩阵为：3 1 4 2那么明文中的字符将按照列的顺序排列，生成密文。
解密：解密过程是加密过程的逆操作，按照密钥规定的逆序重新排列密文即可还原为明文。

五、程序设计核心代码

在SubstitutionCipher类的构造函数中，接受用户提供的密钥，并初始化两个字典，encrypt_dict和decrypt_dict。encrypt_dict将明文字母映射到密钥对应的字母，而decrypt_dict则实现反向映射。
加密：encrypt方法接受一个字符串作为参数，遍历字符串中的每个字符。对于字母字符，根据其大小写使用encrypt_dict进行替换；对于非字母字符，保持不变。构建加密后的字符串并返回。
解密：decrypt方法与encrypt类似，遍历输入字符串中的每个字符。对于字母字符，根据其大小写使用decrypt_dict进行替换；对于非字母字符，保持不变。构建解密后的字符串并返回。
这个算法简单地通过替换字母来实现替代密码。界面部分使用了tkinter库来构建一个简单的图形用户界面，用户可以通过界面输入密钥和文本，然后进行加密和解密操作。

def encrypt(self, text):
```
encrypted_text = ''  
```
```
**for** char **in** text:  
```

    **if** char.isalpha():  # 只加密字母

```
        **if** char.islower():  
```

            encrypted_text += self.encrypt_dict.get(char, char)

```
        **else**:  
```

            encrypted_text += self.encrypt_dict.get(char.lower(), char)

```
    **else**:  
```
```
        encrypted_text += char  
```
```
**return** encrypted_text  
```
def decrypt(self, text):
```
decrypted_text = ''  
```
```
**for** char **in** text:  
```

    **if** char.isalpha():  # 只解密字母

```
        **if** char.islower():  
```

            decrypted_text += self.decrypt_dict.get(char, char)

```
        **else**:  
```

            decrypted_text += self.decrypt_dict.get(char.lower(), char)

```
    **else**:  
```
```
        decrypted_text += char  
```
```
**return** decrypted_text  
```

SubstitutionCipher 类是置换密码的实现，它包含一个构造函数和两个方法：encrypt_block 和 encrypt。encrypt_block 方法对一个8位的文本块进行置换加密。encrypt 方法将输入的文本分割成8位一组的块，然后对每个块调用 encrypt_block 方法进行加密，最后合并所有的块。decrypt 方法通过将密钥反转后，使用相同的加密逻辑进行解密。SubstitutionCipherGUI 类是用户界面的实现，通过 Tkinter 构建。它包含一个构造函数和三个方法：encrypt_text、decrypt_text 和 create_widgets。create_widgets 方法负责创建用户界面的各种元素，包括标签、输入框、文本框以及加密和解密按钮。encrypt_text 方法从界面获取用户输入的密钥和文本，然后调用 SubstitutionCipher 类的 encrypt 方法进行加密，并将结果显示在界面上。
decrypt_text 方法同样从界面获取用户输入的密钥和文本，然后调用 SubstitutionCipher 类的 decrypt 方法进行解密，并将结果显示在界面上。

六、实验结果及软件使用说明

1. 替代密码

图 1 替代密码主界面
使用说明：
前两行的26个字母代表字典表，可以直接输入修改替代的方法，在input中输入文本，点击encrypt实现加密，decrypt实现解密。

图 2 测试数据

图 3 测试数据

七、源代码

'''
Author: Martin
Date: 2023-11-11 19:08:09
Description: 替代密码的实现
'''
import tkinter as tkclass SubstitutionCipher:def __init__(self, key):self.key = keyself.encrypt_dict = dict(zip('abcdefghijklmnopqrstuvwxyz', key))self.decrypt_dict = dict(zip(key, 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyz'))def encrypt(self, text):encrypted_text = ''for char in text:if char.isalpha():  # 只加密字母if char.islower():encrypted_text += self.encrypt_dict.get(char, char)else:encrypted_text += self.encrypt_dict.get(char.lower(), char)else:encrypted_text += charreturn encrypted_textdef decrypt(self, text):decrypted_text = ''for char in text:if char.isalpha():  # 只解密字母if char.islower():decrypted_text += self.decrypt_dict.get(char, char)else:decrypted_text += self.decrypt_dict.get(char.lower(), char)else:decrypted_text += charreturn decrypted_textclass SubstitutionCipherGUI:def __init__(self, master):self.master = mastermaster.title("Substitution Cipher")self.master.geometry("600x400")  # 设置窗口大小self.alphabet_frame = tk.Frame(master)self.alphabet_frame.pack()self.labels = []self.entries = []tmp1 = 0tmp2 = 1for i, char in enumerate('abcdefghijklmnopqrstuvwxyz'):if i>=13:tmp1 = 2tmp2 = 3label = tk.Label(self.alphabet_frame, text=char, width=2)label.grid(row=(i // 13) + tmp1, column=i % 13, padx=2)self.labels.append(label)entry = tk.Entry(self.alphabet_frame, width=3)entry.grid(row=(i // 13) + tmp2, column=i % 13, padx=2)entry.insert(tk.END, char)  # 设置默认值为大写字母self.entries.append(entry)self.label_input = tk.Label(master, text="Input:")self.label_input.pack()self.entry_input = tk.Text(master,width=50,height=3)self.entry_input.pack()self.label_encrypt_output = tk.Label(master, text="Encrypted:")self.label_encrypt_output.pack()self.text_encrypt_output = tk.Text(master, height=3, width=50)self.text_encrypt_output.pack()self.label_decrypt_output = tk.Label(master, text="Decrypted:")self.label_decrypt_output.pack()self.text_decrypt_output = tk.Text(master, height=3, width=50)self.text_decrypt_output.pack()self.button_encrypt = tk.Button(master, text="Encrypt", command=self.encrypt_text)self.button_encrypt.pack()self.button_decrypt = tk.Button(master, text="Decrypt", command=self.decrypt_text)self.button_decrypt.pack()self.canvas = tk.Canvas(master, width=600, height=150)self.canvas.pack()def encrypt_text(self):key = [entry.get() for entry in self.entries]  # 获取用户输入的字典内容text = self.entry_input.get("1.0", tk.END).strip()  # 获取多行文本框的内容cipher = SubstitutionCipher(key)encrypted_text = cipher.encrypt(text)self.text_encrypt_output.delete(1.0, tk.END)  # 清空之前的内容self.text_encrypt_output.insert(tk.END, encrypted_text)def decrypt_text(self):key = [entry.get() for entry in self.entries]  # 获取用户输入的字典内容text = self.entry_input.get("1.0", tk.END).strip()  # 获取多行文本框的内容cipher = SubstitutionCipher(key)decrypted_text = cipher.decrypt(text)self.text_decrypt_output.delete(1.0, tk.END)  # 清空之前的内容self.text_decrypt_output.insert(tk.END, decrypted_text)if __name__ == "__main__":root = tk.Tk()app = SubstitutionCipherGUI(root)root.mainloop()

'''
Author: Martin
Date: 2023-11-11 19:52:32
Description: 置换密码
'''
import tkinter as tkclass SubstitutionCipherGUI:def __init__(self, master):self.master = mastermaster.title("Substitution Cipher")self.master.geometry("600x400")  # 设置窗口大小self.alphabet_frame = tk.Frame(master)self.alphabet_frame.pack()self.labels = []self.entries = []tmp1 = 0tmp2 = 1for i, char in enumerate('12345678'):label = tk.Label(self.alphabet_frame, text=f"{char}:")label.grid(row=tmp2, column=i, padx=2)self.labels.append(label)entry = tk.Entry(self.alphabet_frame, width=3)entry.grid(row=tmp2 + 1, column=i, padx=2)entry.insert(tk.END, 9-int(char))  # 设置默认值为大写字母self.entries.append(entry)self.label_input = tk.Label(master, text="Input:")self.label_input.pack()self.entry_input = tk.Text(master, width=50, height=3)self.entry_input.pack()self.label_encrypt_output = tk.Label(master, text="Encrypted:")self.label_encrypt_output.pack()self.text_encrypt_output = tk.Text(master, height=3, width=50)self.text_encrypt_output.pack()self.label_decrypt_output = tk.Label(master, text="Decrypted:")self.label_decrypt_output.pack()self.text_decrypt_output = tk.Text(master, height=3, width=50)self.text_decrypt_output.pack()self.button_encrypt = tk.Button(master, text="Encrypt", command=self.encrypt_text)self.button_encrypt.pack()self.button_decrypt = tk.Button(master, text="Decrypt", command=self.decrypt_text)self.button_decrypt.pack()self.canvas = tk.Canvas(master, width=600, height=150)self.canvas.pack()def encrypt_text(self):key = [entry.get() for entry in self.entries]  # 获取用户输入的字典内容text = self.entry_input.get("1.0", tk.END).strip()  # 获取多行文本框的内容cipher = SubstitutionCipher(key)encrypted_text = cipher.encrypt(text)self.text_encrypt_output.delete(1.0, tk.END)  # 清空之前的内容self.text_encrypt_output.insert(tk.END, encrypted_text)def decrypt_text(self):key = [entry.get() for entry in self.entries]  # 获取用户输入的字典内容text = self.entry_input.get("1.0", tk.END).strip()  # 获取多行文本框的内容cipher = SubstitutionCipher(key)decrypted_text = cipher.decrypt(text)self.text_decrypt_output.delete(1.0, tk.END)  # 清空之前的内容self.text_decrypt_output.insert(tk.END, decrypted_text)class SubstitutionCipher:def __init__(self, key):self.key = keydef encrypt_block(self, block):return ''.join(block[int(self.key[i]) - 1] for i in range(min(len(self.key), len(block))))def encrypt(self, plaintext):blocks = [plaintext[i:i + 8] for i in range(0, len(plaintext), 8)]print(blocks)encrypted_blocks = [self.encrypt_block(block) for block in blocks[:-1]]encrypted_blocks.append(blocks[-1])return ''.join(encrypted_blocks)def decrypt(self, ciphertext):reversed_key = ''.join(reversed(self.key))reversed_cipher = SubstitutionCipher(reversed_key)return reversed_cipher.encrypt(ciphertext)if __name__ == "__main__":root = tk.Tk()app = SubstitutionCipherGUI(root)root.mainloop()