密码学实验

实验一两种基本古典密码设计与实现一、实验目的：通过本实验，使得我们对两种基本的古典密码编码方法（代替密码和换位移位密码）产生深刻的认识，清楚理解二者之间的本质差异，为理解和掌握现代密码的相应知识打下良好基础。

二、实验内容：（一）设计一个周期为3的多表代替密码并予以实现。

要求：1、该多表代替密码的编程实现，须能对下面一段明文进行正确加密（空格和标点符号保持不动）：Q is a symmetric block cipher. It is defined for a block size of 128 bits. It allows arbitrary length passwords. The design is fairly conservative. It consistsof a simple substitution-permutation network. In this paper we present thecipher, its design criteria and our analysis. The design is based on both Rjindaeland Serpent. It uses an 8-bit s-box from Rjindael with the linear mixing layersreplaced with two Serpent style bit-slice s-boxes and a linear permutation. Thecombination of methods eliminates the high level structure inherent in Rjindaelwhile having better speed and avalanche characteristics than Serpent. Speedis improved over Serpent. This version 2.00 contains better analysis, editorialchanges, and an improved key scheduling algorithm. The number ofrecommended rounds is also increased.2、实验方法要求：（1）第1个表由密钥字法产生（密钥字自拟）；（2）第2个表由洗牌法产生（注意字母a~z与数字0~25一一对应）；洗牌法（n=25））：从一个随机文件读取n+1字节数据d0, d1, , d n，由预先取定的一个0~n的全排列P（比如，可为0~n的自然排列）开始，依次对i=n, n-1, , 1，计算：j=d i-1+d i (mod i)交换P的第i项第j项（在此注意我们假定P从第0项开始）。

（3）第三个表由公式法产生（数学公式自拟，注意它须是Z26上的一个一一变换）。

3、抓图显示密文（附页），不能出现明显错误。

（二）设计一个周期为5的16-置换移位密码并予以实现。

要求：1、该周期为5的16-置换移位密码的编程实现，须能对（一）中相同明文进行正确加密（空格和标点符号保持不动）：2、5个16-置换至少有一个是自行设计的方法产生，其他方法可参照以下进行。

方法一（洗牌法）：见上述介绍，此时n取16；方法二：用一个随机函数产生m（m>n）字节数据d1, d2, , d m。

对d1(mod(n+1)), d2(mod (n+1)), , d m(mod (n+1))依次考察，把后面出现的与前相同者去掉；在最后剩下的数据中，把没有出现的0~n依序补写于后面。

3、抓图显示密文（附页），不能出现明显错误。

三、实验步骤：(包含各个函数的流程图)（一）设计一个周期为3的多表代替密码这个程序设计的关键就在于三个密钥表的设计、打开待加密文件的设计和文件加密过程的设计（也就是主函数部分）（1）密钥字法产生第一个密文字母表输入一个密钥字keyword[26]，把每一个字母赋给一个数组，去掉相同的字母，同时设另一个全0数组，将这个数组里面下标和已出现过的字母在明文字母表里面的下标一样的元素置成1，然后通过该数组判断，把明文字母表里面没有出现过得字母按顺序往后面排。

通过以下代码将产生的密文字母表保存在P1[]数组while(keyword[i]!='\0'){P1[j++]=(int)keyword[i++]-'a';//强制转换类型if(A[keyword[i-1]-'a']=='%') j--;else A[keyword[i-1]-'a']='%';}for(i=0;i<=25;i++){if(A[i]!='%') P1[j++]=i;}（2）用洗牌法产生第二个密文字母表通过语句srand((unsigned)time(0));和P2[j++]=(unsigned long int)(rand()%26);产生随机数，根据明文字母表里面字母的下标把全排列中数字对应的字母赋给一个数组，即：for(i=0;i<=26;i++){if(B[i]!='%') P2[j++]=i; } 从而得到密文字母表。

（3）用多项式法产生第三个密文字母表由用户自己随意设一个公式，如：(5*i+13)%26，通过输入变量值得到表达式的值，然后将明文字母表里面每一个字母往后移(5*i+13)%26位，然后在把得到的密文字母表作为返回值返回。

（4）打开待加密文件部分：这部分程序是根据网上的程序改写的，由于之前学习C++的时候没有学好文件流的相关知识，因此只能从网上拷贝。

start:printf("\n 请输入待加密文本文件名(扩展名为TXT):\n");scanf("%s",filename);if( (fp=fopen(filename,"rt"))==NULL ){printf("没有找到文件：%s\n",filename);goto start;}while((c=fgetc(fp))!=EOF){m[i++]=c; }return m;fclose(fp);（5）主函数部分：使用whlie语句，从第一个字母开始，先判断是否是字母，若是小写字母直接用第一个表加密，再判断下一个字母，如果也是小写字母就用第二个表加密，再判断下一个字母，若还是小写就用第三个表加密，判断下一个，还是小写就回到第一个表，以此类推。

若碰到大写字母，就先把它转换成小写，加密完后再转成大写输出来。

若碰到标点符号或空格就直接把它输出来，判断下一个但是还是用当前的表加密，不是用下一个表。

流程图如下：综上设计，完成整个程序，代码见附录。

运行结果如下：（二）设计一个周期为5的16-置换移位密码并予以实现。

这个程序的设计是基于上一个多表代替程序实现的，主要的程序设计部分就是五个密码表的设计和主函数加密实现部分，我沿用了上一个程序的三种方法来生成五个密码表，因此这个程序的设计较上一个简单很多（1）用洗牌法产生密码表通过语句srand((unsigned)time(0));和P2[j++]=(unsigned long int)(rand()%26);产生随机数，根据明文字母表里面字母的下标把全排列中数字对应的字母赋给一个数组，从而得到密码表。

（2）用多项式法产生密码表由用户自己随意设一个公式，如：(5*i+13)%26，通过输入变量值得到表达式的值，然后将明文字母表里面每一个字母往后移(5*i+13)%26位然后在把得到的密文字母表作为返回值返回。

（3）密钥字法产生密码表输入一个密钥字keyword[26]，把每一个字母赋给一个数组，去掉相同的字母，同时设另一个全0数组，将这个数组里面下标和已出现过的字母在明文字母表里面的下标一样的元素置成1，然后通过该数组判断，把明文字母表里面没有出现过得字母按顺序往后面排。

（4）打开待加密文件部分：这部分程序同设计多表代替密码中的程序完全相同。

（5）主函数部分：先是看明文总长度能不能被16整除，若不能就在后面不x，使它的长度能被十六整除。

然后从第一个字母开始用两层循环，每十六字一组按顺序用五个随机全排列进行移位加密。

运用密钥表 P[j]加密明文字母m[i]的实现语句：c[i]=m[P[j][(i%16)]+k];并且通过j=(j+1)%5选择加密的密钥表流程图如下：接下页综上，可完成程序设计，代码见附录。

其运行结果如下：四、实验体会：这次实验由于课前准备不够充分，使得程序完成不够理想，大部分程序都是由给出的程序改写的，除了主函数部分，没有太多自己的思路。

当然收获也很多，首先将之前自己没有学到的文件流方面的知识点进行了恶补，大致上了解掌握了如何打开一个指定文件、如何从中读取信息、如何将信息复制。

其次，进一步深刻体会到了代替密码和移位密码的本质区别，为理解古典密码以及之后学习现代密码打下了基础。

最后，在编写过程中，我的随机数的产生方法是借用上学期我们保密管理课程的一次实验的代码，课后咨询同学，自己琢磨，发现还有一种更好的随机数的产生方式，能实现产生2到n-1的随机数。

其代码如下：#include<stdio.h>#include<math.h>unsigned char *full_array2(int n){int i;static unsigned char P[256],t[256];for(i=2;i<n;i++)P[i]=i;for(i=2;i<n;i++)t[i]=int(pow(P[i],3))%15; //p[i]过大不是int型就出错for(i=2;i<n;i++)printf("%d ",t[i]);return(t);}void main(){printf("产生的随机数为： \n");*full_array2(15);}运行结果如下：附录：代替密码：#include <stdio.h>#include<stdlib.h>#include <time.h>#include<string.h>unsigned int *list1()//由密钥字法产生第一个表{int i=0,j=0;//将i、j赋初值0，用于后面循环中static unsigned int P1[26];char A[26];char keyword[26];//密钥字keyword[0]='\0';start:printf("请输入一个单词作为密钥字：");scanf("%s",keyword);if (keyword[0]=='\0')goto start;//使用goto语句返回到指定位置while(keyword[i]!='\0'){P1[j++]=(int)keyword[i++]-'a';//强制转换类型if(A[keyword[i-1]-'a']=='%')j--;elseA[keyword[i-1]-'a']='%';}for(i=0;i<=25;i++){if(A[i]!='%')P1[j++]=i;}return P1;//返回数组P1[]，即密钥字法产生的密钥表}unsigned int *list2()//由洗牌法产生第二个表{static unsigned int P2[26];char B[26]={0};int i,j=0;srand((unsigned)time(0));for(i=0;i<78;i++){P2[j++]=(unsigned long int)(rand()%26);//产生随机数if(B[P2[j-1]]!='%')B[P2[j-1]]='%';elsej--;}for(i=0;i<=26;i++){if(B[i]!='%')P2[j++]=i;}return P2;//返回数组P2[]，即洗牌法产生的密钥表}unsigned int *list3()//由公式法产生第三个表{static unsigned int P3[26];int i;for(i=0;i<26;i++){P3[i]=(5*i+13)%26;}return P3;//返回数组P3[]，即公式法产生的密钥表}void get(unsigned int p[26],unsigned int q[26])/*将list1（）、list2（）、list3（）所产生的密钥表复制到另一个二维数组中*/{int i;for(i=0;i<26;i++){p[i]=q[i];}}void priarray(unsigned int arr[]){int i;for(i=0;i<=25;i++)printf(" %c",arr[i]+'a');}char *read()//读取待加密文件的内容{int i=0;static char m[1000];FILE *fp;char filename[20],c;//filename[20]用于保存用户输入的文件名start:printf("\n 请输入待加密文本文件名（扩展名为TXT）:\n");scanf("%s",filename);if( (fp=fopen(filename,"rt"))==NULL ){printf("没有找到文件：%s\n",filename);goto start;/*没有找到输入的文件则使用goto语句返回到指定语句重新输入文件名*/}while((c=fgetc(fp))!=EOF){m[i++]=c;}return m;/*read（）函数返回是数组m[]，该数组中存有文件中的明文字母*/fclose(fp);//关闭文件}void main(){char m[1000];strcpy(m,read());//将文件中的明文字母全部复制到数组m[]中char c[1000];//将加密后的密文存在数组c[]中int i=0,j=0;unsigned int P[3][26]={0};//赋初值，该二维数组用于保存三个密钥表get(P[0],list1());get(P[1],list2());get(P[2],list3());printf("密钥字法密钥表：");priarray(P[0]);//输出list1（）产生的密钥表printf("\n洗牌法密钥表：");priarray(P[1]);//输出list2（）产生的密钥表printf("\n多项式法密钥表：");priarray(P[2]);//输出list3（）产生的密钥表while (m[i]!='\0'){if((m[i]>='a')&&(m[i]<='z')){c[i]=((m[i]-'a')+P[j][m[i]-'a'])%26+'a';/*运用密钥表P[j]加密明文字母m[i]*/j=(j+1)%3;//通过j=(j+1)%3选择加密的密钥表}else if(((m[i]>='A')&&(m[i]<='Z'))){c[i]=((m[i]-'A')+P[j][m[i]-'A'])%26+'A';j=(j+1)%3;}else c[i]=m[i];i=i+1;}c[i]='\0';printf("\n文本文档中原文为：\n");puts(m);//输出文本文档中明文printf("\n加密后密文为：\n");puts(c);//输出加密后的密文}移位密码：#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<time.h>#include<string.h>#include<windows.h>char *read()//读取待加密文件的内容{int i=0;static char m[1000];FILE *fp;char filename[20],c;//filename[20]用于保存用户输入的文件名start:printf("\n 请输入待加密文本文件名(扩展名为TXT):\n");scanf("%s",filename);if( (fp=fopen(filename,"rt"))==NULL ){printf("没有找到文件：%s\n",filename);goto start;/*没有找到输入的文件则使用goto语句返回到指定语句重新输入文件名*/}while((c=fgetc(fp))!=EOF){m[i++]=c;}return m;/*read（）函数返回是数组m[]，该数组中存有文件中的明文字母*/ fclose(fp);//关闭文件}void list1(unsigned int P[16])//洗牌法产生密码表{char Q[16]={0};int i,l=0;time_t t(0);srand((unsigned)time(&t));for(i=0;i<48;i++){P[l++]=(unsigned int)(rand()%16);if(Q[P[l-1]]!='%')Q[P[l-1]]='%';else l--;}for(i=0;i<16;i++){if(Q[i]!='%')P[l++]=i;}}void list2(unsigned int P[16])//多项式法产生密码表{int i;for(i=0;i<16;i++){P[i]=(5*i+13)%16;}}void list3(unsigned int P[16])//多项式法产生密码表{int i;for(i=0;i<16;i++){P[i]=(19*i+3)%16;}}void list4( unsigned int P[16])//由密钥字法产生密码表{int i=0,j=0;//将i、j赋初值0，用于后面循环中char A[26];char keyword[26];//密钥字keyword[0]='\0';start:printf("请输入一个单词作为密钥字：");scanf("%s",keyword);if (keyword[0]=='\0')goto start;//使用goto语句返回到指定位置while(keyword[i]!='\0'){P[j++]=(int)keyword[i++]-'a';//强制转换类型if(A[keyword[i-1]-'a']=='%')j--;elseA[keyword[i-1]-'a']='%';}for(i=0;i<=25;i++){if(A[i]!='%')P[j++]=i;}}void priarray(unsigned int arr[]){int i=0;for(;i<16;i++)printf("%3d",arr[i]+1);}void main(){char m[1000]={0};strcpy(m,read());//将文件中的明文字母全部复制到数组m[]中char c[1000];//将加密后的密文存在数组c[]中int i=0,t=0,j=0,k=0;unsigned int P[5][16];//赋初值，该二维数组用于保存五个密钥表list1(P[0]);//第一个密码表list2(P[1]);//第二个密码表list3(P[2]);//第三个密码表list4(P[3]);//第四个密码表list1(P[4]);//第五个密码表printf("五个密码表如下输出：");printf("\n第一个密码表（洗牌法生成）：");priarray(P[0]);printf("\n第二个密码表（多项式法生成）：");priarray(P[1]);printf("\n第三个密码表（多项式法生成）：");priarray(P[2]);printf("\n第四个密码表（密钥字法生成）：");priarray(P[3]);printf("\n第五个密码表（洗牌法生成）：");priarray(P[4]);while (m[i]!='\0'){if(m[i+15]!='\0'){for(t=0;t<16;t++,i++)c[i]=m[P[j][(i%16)]+k];/*运用密钥表P[j]加密明文字母m[i]*/j=(j+1)%5;//通过j=(j+1)%5选择加密的密钥表k=i;}else{for(t=1;t<=15;t++)(m[i+t]=='\0'if(m[i+t]=='\0')m[i+t]='i';m[i+16]='\0';}}c[i]='\0';printf("\n文本文档中明文为：\n");puts(m);//输出文本文档中明文printf("\n加密后的密文为：\n");puts(c);//输出加密后的密文}。