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：