仿射密码实验——Python实现(完整解析版)

• 前言
• 实验内容
• 实验操作步骤
• • 1.编写主程序
  • 2.编写加密模块
  • 3.编写解密模块
  • 4.编写文件加解密模块
• 实验结果
• 实验心得
• 实验源码
• • scirpt.py
  • usefile.py

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

原理

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

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

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

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
在这里插入图片描述

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

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

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

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。

# 暴力破解
import usefile as u
import re

la = [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 % b
        a = b
        b = tem
    return 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 = 1
    while (a * ny) % b != 1:
        ny += 1
    return ny

# 解密
def decrypt(c, k, b):
    mw = []
    for i in range(len(c)):
        tem = ord(c[i]) - 65 - b
        if tem < 0:
            tem += 26
        mw.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！")
            break
        else:
            print("输入有误，请重新输入！")

#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 = 0
	while m!=0:
		t = m
		m = k1%m
		k1 = t
	return k1

#求逆元
def niyuan(k1):
	n = 1
	while (k1 * n) % 26 != 1:
		n += 1
	return 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-k2
			if t1 < 0:
				t1 +=26
			p.append(chr((ny * t1)%26+97))
		#大写字母
		elif cipher[i].isupper():
			t2 = ord(cipher[i])-65-k2
			if t2 < 0:
				t2 +=26
			p.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")
main()