仿射密码实验——Python实现(完整解析版)

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前言

实验目的
1）初步了解古典密码
2）掌握仿射密码的实现

实验方法
根据下图仿射密码（变换）加解密的描述，用所熟悉的语言，完成实验内容、描述实验操作步骤、实验结果与实验心得。

实验环境
计算机语言：Python
开发环境：Pycharm

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原理

实验内容

1. 编程实现仿射密码，要求有加密步骤和解密步骤。若输入参数a，b不合法，则报错。
2. 提供两种解密方法，一是掌握密钥破解，而是无密钥的暴力破解
3. 使用两种加解密的操作，一是命令行的输入输出，而是文件的读取写入生成
4. 加解密过程中应考虑大小写

实验操作步骤

1.编写主程序

在main主程序里，需要有相应的功能提示

作为菜单栏使用
不同的数字对应实现不同的功能：1加密2解密3文件形式加解密4退出程序

2.编写加密模块

需求有：提示输入明文和密钥，对明文进行仿射密码方式的加密，最后输出

m接收用户输入的明文
c作为数组来存储，a和b就是密钥需要用户提供
对于输入的a和b需整形化，然后判断a、b是否互素通过ab的最大公因数是否为1判断
若不互素则提示用户重新输入

达成互素条件后
首先采用正则表达式处理一下用户输入一些特殊符号
（如果不处理的话，那么形成的密文最后也是解密不了的）
接着采用replace去除空格
进入encrypt模块

在这个模块中，原理就是将之前用户输入的参数m，a，b传入
然后通过先转化成ascii码和进行模运算，这里计算得到的ascii码chr后，得到的是大写的英文字母，为此最后输出的时候提供给用户两种结果：大写和小写

3.编写解密模块

首先提示输入密文，考虑之前我们加密后的结果一般都是只有英文字母的组合
这里我就只有进行大小写的处理
提示用户是否知道密钥，若有则接受参数a和b，同样得判断a，b是否互素来确认密钥的合法性
然后由a计算出k，再传入decrypt模块解密

解密其实就是加密数学上的逆运算
这里刚刚好相反，通过一系列计算得到的是一串小写英文字母
那与之前一样，我们需要给用户提供大写和小写的结果

假如选择不知道密钥的话，那么就是采用暴力破解
也就是数字组合一个个试，这里通过对仿射原理的理解便可以缩小点范围
定义的la数组和lb数组分别如图

4.编写文件加解密模块

这个文件我命名为usefile.py,并且作为库来给之前的脚本代码引用

这个文件其实和之前的代码以及实现的功能差不多
不过为了代码看起来不那么冗长，就单独再写一个模块了
以下是该代码的展示

密钥的输入

互素条件的判断

逆元的求解

文件加密

文件解密

主函数模块

实验结果

开始使用程序
运行script.py

输入数字1

我们用hello作为例子，密钥就为3和4吧

得到密文为ZQLLU 或 zqllu

这次试一下特殊符号
输入hell，，！！o
可以看到加密结果与之前一致

那我们现在试着解密
输入之前的密文zqllu，先按照有密钥解密

得到hello说明正确
再试一下无密钥暴力破解

这一次故意输入大写的ZQLLU，然后寻找一下正确的明文

Ok，与我们之前有密钥解出来结果一致，说明代码可行
好的，我们来看看文件模块运行如何

出现usefile里特有的菜单模块
事先我创建了一个test.txt，里面内含明文hello
运行功能1看看

然后当前目录下多了ciphertext.txt文件，查看该文件

结果没错
我们再试解密功能

该目录下多出plaintext.txt文件，查看该文件

还原成功，是明文hello
这里是提供了密钥，如果暴力破解就是和之前script文件中一致

实验心得

作为古典密码的一种，仿射密码的原理其实挺简单的，所以这次使用python来实现关于仿射密码的加解密难度不大，中间遇到的一些问题还是让我收获不少：加解密时要注意英文字母大小写、特殊符号需要处理、chr和ord的配合使用、编写不同的函数模块和文件来实现CLI版的功能等等，让我对于python的使用更加的得心应手。

很喜欢python的话语：人生苦短，我用python。
希望之后继续使用python解决有关密码学的问题。

实验源码

scirpt.py

# 暴力破解
import usefile as u
import rela = [1, 3, 5, 7, 9, 11, 15, 17, 19, 21, 23, 25]
lb = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13,14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25]# 最大公约数
def gcd(a, b):while b != 0:tem = a % ba = bb = temreturn a# 加密
def encrypt(m, c, a, b):for i in range(len(m)):# 加密成相应的大写字母c.append(chr(((ord(m[i]) - 97) * a + b) % 26 + 65))d = ''.join(c)print(d,"或 {}".format(d.lower()))# 求逆元
def niyuan(a, b):ny = 1while (a * ny) % b != 1:ny += 1return ny# 解密
def decrypt(c, k, b):mw = []for i in range(len(c)):tem = ord(c[i]) - 65 - bif tem < 0:tem += 26mw.append(chr((k * tem) % 26 + 97))print("k=" + str(k) + ", b=" + str(b) + "时，解密后的明文为：")res = ''.join(mw)print(res,"或 {}".format(res.upper()))def jiami():m = input("请输入明文：")c = []x, y = input("请输入a和b: ").split()a = int(x)b = int(y)while gcd(a, b) != 1:x, y = input("a和b不互素，请重新输入a和b: ").split()a = int(x)b = int(y)print("明文内容为：")print(m)r = "[!！+-=——,，。?？、]"m = re.sub(r, ' ', m)m = m.replace(' ', '')print("加密后的密文为：")encrypt(m, c, a, b)def jiemi():m = input("请输入密文：")c = []q = input("是否有密钥，有请输入1，无则输入0：")print("密文内容为：")print(m)if int(q)==1:x, y = input("请输入a和b: ").split()a = int(x)b = int(y)while gcd(a, b) != 1:x, y = input("a和b不互素，请重新输入a和b: ").split()a = int(x)b = int(y)m = m.upper()for i in range(len(m)):# 加密成相应的大写字母c.append(m[i])print("知道密钥破解：")k = niyuan(a, 26)decrypt(c, k, b)elif int(q)==0:m = m.upper()# 加密成相应的大写字母for i in range(len(m)):c.append(chr(ord(m[i])))print("不知道秘钥破解，暴力破解如下： ")for i in range(0, 12):for j in range(0, 26):decrypt(c, la[i], lb[j])#实现
if __name__ == "__main__":# 明文while True:print("-------------------------")print("1.仿射密码加密")print("2.仿射密码解密")print("3.文件仿射加解密")print("4.程序退出")n = input("请输入功能对应的数字：")print("-------------------------")if int(n)==1:jiami()elif int(n)==2:jiemi()elif int(n)==3:u.main()elif int(n)==4:print("感谢使用！")breakelse:print("输入有误，请重新输入！")

usefile.py

#仿射密码加密与解密实现算法
# -*- coding=utf-8 -*-#输入密钥
def accept():k1,k2 = map(int,input('请输入两个密钥(以空格隔开)：').split())while gcd(k1, 26) !=1:k1,k2 = map(int,input('k1和26不互素，请重新输入密钥：').split())return k1,k2#判断互素
def gcd(k1,m):t = 0while m!=0:t = mm = k1%mk1 = treturn k1#求逆元
def niyuan(k1):n = 1while (k1 * n) % 26 != 1:n += 1return n#加密算法
def encrypt():#输入密钥k1,k2 = accept()n = input("请输入当前目录下需要加密文件名：")f = open(n)plain = f.read()#print(plain)c = []for i in range(len(plain)):#小写字母if plain[i].islower():c.append(chr(((ord(plain[i])-97)*k1+k2)%26+97))#大写字母elif plain[i].isupper():c.append(chr(((ord(plain[i])-65)*k1+k2)%26+65))#其他else :c.append(plain[i])cipher = ''.join(c)w = open('ciphertext.txt','w')w.write(cipher)print('加密完成！')f.close()w.close()#解密算法
def decrypt():#输入密钥k1,k2 = accept()#逆元ny = niyuan(k1)str = input("请输入当前目录下需要解密文件名：")f = open(str)cipher = f.read()p = []for i in range(len(cipher)):#小写字母if cipher[i].islower():t1 = ord(cipher[i])-97-k2if t1 < 0:t1 +=26p.append(chr((ny * t1)%26+97))#大写字母elif cipher[i].isupper():t2 = ord(cipher[i])-65-k2if t2 < 0:t2 +=26p.append(chr((ny * t2)%26+65))#其他else :p.append(cipher[i])plain = ''.join(p)w = open('plaintext.txt','w')w.write(plain)print('解密完成！')f.close()w.close()def main():while True:print("--------文件加解密操作--------")print("加密【1】：")print("解密【2】：")print("退出【3】：")ch = int(input("请输入对应功能数字："))if ch == 1:encrypt()elif ch == 2:decrypt()elif ch == 3:print("感谢使用！")exit()else:print("请输入1或2")