哈尔滨工程大学实验报告实验名称：古典密码算法班级：学号：姓名：实验时间：2014年4月成绩：指导教师：实验室名称：哈尔滨工程大学实验室与资产管理处制一、实验名称古典密码算法二、实验目的通过编程实现经典的代替密码算法和置换密码，包括移位密码、维吉尼亚密码、周期置换密码、列置换密码，加深对代替技术的了解，为现代分组密码实验奠定基础。

三、实验环境（实验所使用的器件、仪器设备名称及规格）运行Windows 或Linux 操作系统的PC 机，具有gcc(Linux)、VC（Windows）等C 语言编译环境。

四、实验任务及其要求（1）根据实验原理部分对移位密码的介绍，自己创建明文信息，并选择一个密钥，编写移位密码的实现程序，实现加密和解密操作。

（2）根据实验原理部分对维吉尼亚密码的介绍，自己创建明文信息，并选择一个密钥，编写维吉尼亚密码的实现程序，实现加密和解密操作。

（3）根据实验原理部分对周期置换密码的介绍，自己创建明文信息，并选择一个密钥，编写周期置换密码的实现程序，实现加密和解密操作。

（4）根据实验原理部分对列置换密码的介绍，自己创建明文信息，并选择一个密钥，编写列置换密码的实现程序，实现加密和解密操作。

五、实验设计（包括原理图、真值表、分析及简化过程、卡诺图、源代码等）1．移位密码移位密码（Shift Cipher）是一种典型的单表替代密码，也称为加法密码。

移位密码的加密方法就是将明文中的每个字母用其在字母表后面的第k 个字母替代，它的加密过程可以表示为： c = (m + k) mod n其中，m 为明文字母在字母表中的位置数；n 为字母表中的字母总数；k 为密钥；c 为密文字母在字母表中对应的位置数。

相应的，移位密码的解密过程可以表示为：m = (c - k) mod n移位密码的一个典型代表就是凯撒密码（Ceaser Cipher），它是k=3 时的移位密码。

使用英文字母表的撒密码的加（解）密可以表示为：m = (c + 3) mod 26 m = (c - 3) mod 26，例如，明文：attacks at nine am密钥：3加密：将明文分组对每一个密文字母，依英文字母表，用其右的第 3 个字母代替密文：dwwdfnv dw qlqh dp另外，使用凯撒密码加密后的密文“dwwdfnvdwilyhsp”，其明文为“attacks at five pm”。

2．维吉尼亚密码维吉尼亚密码（Vigenere Cipher）是一种多表代替密码，其本质是周期移位密码。

维吉尼亚密码的（用户）密钥为一含有d 个字母的有限字母序列k = k0k1…k d-1加密时，首先将用户密钥进行周期扩展（周期为d），扩展后的无限字母序列称为工作密钥，记为K = K0K1…K i…其中K i = K i mod d ，i=0,1,…当d=1 时，维吉尼亚密码就是移位密码。

对于含有l 个字母的明文，维吉尼亚加密过程可以表示为：c i = (m i＋K i ) mod n 其中，M = m0m1…m i…m l-1 为明文，C = c0c1…c i…c l-1 为密文，K = K0K1…K i…K l-1 为工作钥，n 为明文字母表的长度，l 为明文长度（含有字母的数目）。

例如，使用用户钥cat，对明文“vigenere cipher”进行维吉尼亚加密。

此时，n=26（对应英文字母表），用户钥c=3、a=0、t=19，得到的密文为“xizgnxtevkpagr”。

置换（Permutation）是古典密码中另一种基本的处理技巧，就是将明文中的字母重新排列，字母本身不变，只是改变其位置。

置换密码（Substitution Cipher）就是使用置换法进行加解密的密码算法，也称为换位密码。

置换密码的密钥是一个置换，它表示了明文字母在密文中出现的位置。

例如，使用密钥π=(3421)，对明文“ming”进行加密，得到的密文为“ngim”。

3．周期置换密码周期置换密码是将明文字母按一定长度m 进行分组，把每个分组中的字母按1,2,…,m的一个置换π重排位置次序来得到密文的一种加密方法。

其中的密钥就是置换π，在π的描述中包含了分组长度的信息。

解密时，对密文字符按长度m 进行分组，并按π的逆置换π−1把每组字符重排位置次序来得到明文。

例如，明文：ming chen jiu dian fa dong fan gong加密密钥：3421（i=1,2,3,4 的一个置换π(i) =3,4,2,1）加密：将明文分组（4 个字母一组），然后根据加密密钥给定的置换，对每个明文分组进行置换ming chen jiud ianf adon gfan gongngim enhc udij nfai onda anfg ngog密文：ngimenhcudijnfaiondaanfgngog解密密钥：4312（3412 的逆置换）4．列置换密码列置换密码也称为矩阵置换密码。

其加解密方法如下：把明文字符以固定的宽度m(分组长度)水平地(按行)写在一张纸上，按1,2,…,m 的一个置换π交换列的位置次序，再按垂直方向(即按列)读出即得密文。

解密就是将密文按相同的宽度m 垂直在写在纸上，按置换π的逆置换π−1 交换列的位置次序，然后水平地读出得到明文。

置换π就是密钥。

例如，明文：ming chen jiu dian fa dong fan gong密钥：yu lan hua加密：去掉密钥重复字母得yulanh，得到密钥字母顺序653142得出距阵列数为6，将明文按行填充距阵按列（依顺序）写出距阵中的字母。

密文：giffg hddn0 njngn cuaa0 inano meiog （其中0 为无效字符）解密：加密的逆过程六、实验步骤通过实验分析，将各个古典密码算法编写出来，然后编写一个主函数。

调试，验证加密解密正确性。

#include<stdio.h>#include<string.h>#define CRYPT_OK 1#define CRYPT_ERROR 0#define MAXSIZE 100void ShiftCipher();void VigenereCipher();void CycleCipher();void ColCipher();void main(){int op=0;while(1){printf("Which Cipher would you want ?:1.Shift 2.Vig 3.Cyc 4.Col:\n");scanf("%d",&op);fflush(stdin);switch(op){case 1:{ShiftCipher();}break;case 2:{VigenereCipher();}break;case 3:{CycleCipher();}break;case 4:{ColCipher();}break;}}}//主函数//列置换置换密码int Colencrypt(char* plain,char* cipher,char* key); //列置换置换密码加密算法int Coldecrypt(char* plain,char* cipher,char* key); //列置换置换密码解密算法void ColCipherEncrypt(); //列置换置换密码加密调用void ColCipherDecrypt(); //列置换置换密码解密调用void ColCipher(); //列置换置换密码模块调用int fix(char* m,int T); //字符串补齐修正void ColCipher(){int op=0;while(1){fflush(stdin);printf("__This_is_Coloum_Cipher_Process____________________\n");printf("1 for encrypt，2 for decrypt：");scanf("%d",&op);getchar();switch(op){case 1:{ColCipherEncrypt();}break;case 2:{ColCipherDecrypt();}break;default:{printf("Error Input\n");}}}}//列置换置换密码模块调用void ColCipherEncrypt(){char p[MAXSIZE],c[MAXSIZE],k[MAXSIZE];//定义变量printf("Please Input the Plaintext:\n");gets(p);fflush(stdin);printf("Please Input the ColKey：(连续整数序列置换)\n");gets(k);//获取明文&密钥fix(p,strlen(k));//补齐空格Colencrypt(p,c,k);//调用加密函数printf("Chipertext:\n%s",c);getchar();}//列置换置换密码加密调用void ColCipherDecrypt(){char p[MAXSIZE],c[MAXSIZE],k[MAXSIZE],flag,abc[27];int i,temp;//定义变量printf("Please Input the Ciphertext:\n");gets(c);printf("Do You Know the Key? y/n:");fflush(stdin);scanf("%c",&flag);getchar();switch(flag){case 'y': //若知道密钥则直接经行解密{printf("Please Input the ColKey：\n");gets(k);//获取密钥fix(c,strlen(k));Coldecrypt(p,c,k);//调用函数printf("Plaintext:\n%s\n",p);}break;case 'n': //不知道密钥则对文本进行字母统计分析{printf("Then I can't help you!\n");};break;default:{printf("ERROR\n");}}}//列置换置换密码解密调用int Colencrypt(char* plain,char* cipher,char* key){int i,r,T,n,j;char temp[MAXSIZE];i=0;T=strlen(key);while(plain[i]!='\0'){r=i%T;cipher[i]=plain[i-r+(key[r]-'0')-1];i++;}cipher[i]='\0';n=strlen(cipher)/strlen(key);for(i=0;i<T;i++){for(j=0;j<n;j++){temp[i]=cipher[T*j+i%T];}}temp[strlen(cipher)]='\0';return CRYPT_OK;}//列置换置换密码加密算法int Coldecrypt(char* plain,char* cipher,char* key) {int i,r,T,n,j;char temp[MAXSIZE];i=0;T=strlen(key);while(cipher[i]!='\0'){r=i%T;plain[i]=cipher[i-r+(key[r]-'0')-1];i++;}plain[i]='\0';n=strlen(plain)/strlen(key);for(i=0;i<T;i++) //{for(j=0;j<n;j++){temp[i]=plain[T*j+i];}}temp[strlen(plain)]='\0';plain=temp;return CRYPT_OK;}//列置换置换密码解密算法//移位密码int ShiftEncrypt(char* plain,char* cipher,int key); //移位密码加密算法int ShiftDecrypt(char* plain,char* cipher,int key); //移位密码解密算法void ShiftCipherEncrypt(); //移位密码加密调用void ShiftCipherDecrypt(); //移位密码解密调用void ShiftCipher(); //移位密码模块调用void ShiftCipher(){int op=0;while(1){fflush(stdin);printf("_This_is_Shift_Cipher_Process_________________________\n");printf("1 for encrypt，2 for decrypt：");scanf("%d",&op);getchar();switch(op){case 1:{ShiftCipherEncrypt();}break;case 2:{ShiftCipherDecrypt();}break;default:{printf("Error Input\n");}}}}//移位密码模块调用void ShiftCipherEncrypt(){char p[MAXSIZE],c[MAXSIZE];int key=0;//定义变量printf("Please Input the Plaintext:\n");gets(p);printf("Please Input the ShiftKey：\n");scanf("%d",&key);//获取必要信息ShiftEncrypt(p,c,key);//调用函数printf("Chipertext:\n%s\n",c);getchar();}//移位密码加密调用void ShiftCipherDecrypt(){char p[MAXSIZE],c[MAXSIZE],flag;int key=0;int i;//定义变量printf("Please Input the Ciphertext:\n");gets(c);printf("Do You Know the Key? y/n:");fflush(stdin);scanf("%c",&flag);getchar();switch(flag){case 'y':{printf("Please Input the ShiftKey[0-26]：\n");scanf("%d",&key);//获取必要信息ShiftDecrypt(p,c,26-key);//调用函数printf("Plaintext:\n%s\n",p);getchar();}break;case 'n':{for(i=25;i>0;i--){ShiftDecrypt(p,c,i);printf("Plaintext Shift By %2d is: %s\n",26-i,p);}};break;default:{printf("ERROR\n");}}}//移位密码解密调用int ShiftEncrypt(char* plain,char* cipher,int key){int i=0;while(plain[i]!='\0'){if(plain[i]>='A'&&plain[i]<='Z'){cipher[i]=(plain[i]+key-'A')%26+'A';}else{if(plain[i]>='a'&&plain[i]<='z'){cipher[i]=(plain[i]+key-'a')%26+'a';}elsecipher[i]=plain[i];}i++;}cipher[i]='\0';return CRYPT_OK;}//移位密码加密算法int ShiftDecrypt(char* plain,char* cipher,int key){int i=0;while(cipher[i]!='\0'){if(cipher[i]>='A'&&cipher[i]<='Z'){plain[i]=(cipher[i]-'A'+key)%26+'A';}else{if(cipher[i]>='a'&&cipher[i]<='z'){plain[i]=(cipher[i]-'a'+key)%26+'a';}else{plain[i]=cipher[i];}}i++;}plain[i]='\0';return CRYPT_OK;}//移位密码解密算法//弗吉尼亚密码int Vigenereencrypt(char* plain,char* cipher,char* key); //弗吉尼亚密码加密算法int Vigeneredecrypt(char* plain,char* cipher,char* key); //弗吉尼亚密码解密算法void VigenereCipherEncrypt(); //弗吉尼亚密码加密调用void VigenereCipherDecrypt(); //弗吉尼亚密码解密调用void VigenereCipher(); //弗吉尼亚密码模块调用void Static(char* c); //密文字母频率统计模块void VigenereCipher(){int op=0;while(1){fflush(stdin);printf("__This_is_Vigenere_Cipher_Process_____________________\n");printf("1 for encrypt，2 for decrypt：");scanf("%d",&op);getchar();switch(op){case 1:{VigenereCipherEncrypt();}break;case 2:{VigenereCipherDecrypt();}break;default:{printf("Error Input\n");}}}}//弗吉尼亚密码模块调用void VigenereCipherEncrypt(){char p[MAXSIZE],c[MAXSIZE],k[MAXSIZE];//定义变量printf("Please Input the Plaintext:\n");gets(p);fflush(stdin);printf("Please Input the VigenereKey：(low case)\n");gets(k);//获取必要信息Vigenereencrypt(p,c,k);//调用函数printf("Chipertext:\n%s",c);getchar();}//弗吉尼亚密码加密调用void VigenereCipherDecrypt(){char p[MAXSIZE],c[MAXSIZE],k[MAXSIZE],flag,abc[27];int i,temp;//定义变量printf("Please Input the Ciphertext:\n");gets(c);printf("Do You Know the Key? y/n:");fflush(stdin);scanf("%c",&flag);getchar();switch(flag){case 'y': //若知道密钥则直接经行解密{printf("Please Input the VigenereKey：\n");gets(k);//获取密钥Vigeneredecrypt(p,c,k);//调用函数printf("Plaintext:\n%s\n",p);}break;case 'n': //不知道密钥则对文本进行字母统计分析{Static(c);};break;default:{printf("ERROR\n");}}}//弗吉尼亚密码解密调用int Vigenereencrypt(char* plain,char* cipher,char* key) {int i=0;int T;T=strlen(key);printf("%d",T);while(plain[i]!='\0'){if(plain[i]>='A'&&plain[i]<='Z'){cipher[i]=(plain[i]+key[i%T]-'A'-'a')%26+'A';}else{if(plain[i]>='a'&&plain[i]<='z'){cipher[i]=(plain[i]+key[i%T]-'a'-'a')%26+'a';}elsecipher[i]=plain[i];}i++;}cipher[i]='\0';return CRYPT_OK;}//弗吉尼亚密码加密算法int Vigeneredecrypt(char* plain,char* cipher,char* key){int i=0;int T;int abc[26];T=strlen(key);while(cipher[i]!='\0'){if(cipher[i]>='A'&&cipher[i]<='Z'){plain[i]=(cipher[i]-'A'+26-(key[i%T]-'a'))%26+'A';}else{if(cipher[i]>='a'&&cipher[i]<='z'){plain[i]=(cipher[i]-'a'+26-(key[i%T]-'a'))%26+'a';}else{plain[i]=cipher[i];}}i++;}plain[i]='\0';return CRYPT_OK;}//弗吉尼亚密码解密算法void Static(char* c){int i,temp;int abc[27]={0};i=0;temp=0;while(c[i]!='\0'){if(c[i]>='A'&&c[i]<='Z'){temp=c[i]-'A';}else{if(c[i]>='a'&&c[i]<='z'){temp=c[i]-'a';}else{temp=26;}}abc[temp]++;i++;}for(i=0;i<26;i++){printf("%c:%d\n",i+'A',abc[i]);}printf("Other:%d\n",abc[26]);printf("That's all I can do for you. \n");}//密文字母频率统计模块//周期置换密码int Cycleencrypt(char* plain,char* cipher,char* key); //周期置换密码加密算法int Cycledecrypt(char* plain,char* cipher,char* key); //周期置换密码解密算法void CycleCipherEncrypt(); //周期置换密码加密调用void CycleCipherDecrypt(); //周期置换密码解密调用void CycleCipher(); //周期置换密码模块调用int fix(char* m,int T); //字符串补齐修正void CycleCipher(){int op=0;while(1){fflush(stdin);printf("__This_is_Cycle_Cipher_Process_____________________\n");printf("1 for encrypt，2 for decrypt：");scanf("%d",&op);getchar();switch(op){case 1:{CycleCipherEncrypt();}break;case 2:{CycleCipherDecrypt();}break;default:{printf("Error Input\n");}}}}//周期置换密码模块调用void CycleCipherEncrypt(){char p[MAXSIZE],c[MAXSIZE],k[MAXSIZE];//定义变量printf("Please Input the Plaintext:\n");gets(p);fflush(stdin);printf("Please Input the CycleKey：(连续整数序周期)\n");gets(k);//获取明文&密钥fix(p,strlen(k));//补齐空格Cycleencrypt(p,c,k);//调用加密函数printf("Chipertext:\n%s",c);getchar();}//周期置换密码加密调用void CycleCipherDecrypt(){char p[MAXSIZE],c[MAXSIZE],k[MAXSIZE],flag,abc[27];int i,temp;//定义变量printf("Please Input the Ciphertext:\n");gets(c);printf("Do You Know the Key? y/n:");fflush(stdin);scanf("%c",&flag);getchar();switch(flag){case 'y': //若知道密钥则直接经行解密{printf("Please Input the CycleKey：\n");gets(k);//获取密钥fix(c,strlen(k));Cycledecrypt(p,c,k);//调用函数printf("Plaintext:\n%s\n",p);}break;case 'n': //不知道密钥则对文本进行字母统计分析{printf("Then I can't help you!\n");};break;default:{printf("ERROR\n");}}}//周期置换密码解密调用int Cycleencrypt(char* plain,char* cipher,char* key) {int i,r,T;i=0;T=strlen(key);while(plain[i]!='\0'){r=i%T;cipher[i]=plain[i-r+(key[r]-'0')-1];i++;}cipher[i]='\0';return CRYPT_OK;}//周期置换密码加密算法int Cycledecrypt(char* plain,char* cipher,char* key){int i,r,T;i=0;T=strlen(key);while(cipher[i]!='\0'){r=i%T;plain[i]=cipher[i-r+(key[r]-'0')-1];i++;}plain[i]='\0';return CRYPT_OK;}//周期置换密码解密算法int fix(char* m,int T){int i,max;i=strlen(m);if(i%T==0){return i/T;}else{max=(i/T+1)*T;while(i<max){m[i]=' ';i++;}m[i]='\0';return max;}}七、实验过程与分析八、实验结果总结代替（Substitution）是古典密码中最基本的处理技巧，就是将明文字母由其他字母表中的字母替换的一种方法。