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一、基本概念
- 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……
- 明文：未经过加密的信息；密文：加密后的信息
- 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：
- 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)
- 若分组到最后一组时只有一个字母，则补充字母z
- 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)
- 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)
- 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！
1 for i in range(len(list_clear_text)): 2 if(i % 2 == 1): #列表中的第d奇数个 3 if(list_clear_text[i] == list_clear_text[i-1]): #第奇数个与前一个(偶数)是否相同 4 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 5 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！
1 #处理一组字线是重复明文字母 2 def deal_repeat(list_clear_text): 3 count = 0 #计算列表中有多少组是不同的 4 flag = False 5 for i in range(len(list_clear_text)): 6 if(i % 2 == 1): #列表中的第d奇数个 7 if(list_clear_text[i] == list_clear_text[i-1]): #第奇数个与前一个(偶数)是否相同 8 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 9 break 10 if (list_clear_text[i] != list_clear_text[i - 1]): 11 count += 1 12 if count == int(len(list_clear_text) / 2): 13 flag = True 14 15 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)
1 for i in range(len(decryption_list)): 2 if i % 2 == 0: 3 if i+2 < len(decryption_list) and 4 decryption_list[i] == decryption_list[i+2] and decryption_list[i+1] == "Z": 5 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。
1 delete_list = [] 2 for i in range(len(decryption_list)): 3 if i % 2 == 0: #第偶数个 4 #不越界 5 if i+2 < len(decryption_list) and 6 decryption_list[i] == decryption_list[i+2] and decryption_list[i+1] == "Z": 7 delete_list.append(i+1) 8 #decryption_list.pop(i+1) 9 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！ 10 for i in delete_list: 11 print(i) 12 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：
1 Please input E for encryption or D for decryption：E 2 请输入明文:aabbbcccczz 3 ['a', 'a', 'b', 'b', 'b', 'c', 'c', 'c', 'c', 'z', 'z'] 4 ['a', 'Z', 'a', 'b', 'b', 'Z', 'b', 'c', 'c', 'Z', 'c', 'Z', 'c', 'z', 'z'] 5 ['a', 'Z', 'a', 'b', 'b', 'Z', 'b', 'c', 'c', 'Z', 'c', 'Z', 'c', 'z', 'z', 'Z'] 6 加密成功！密文:RXBJDXDHDUDUDUUU 7 Please input E for encryption or D for decryption：D 8 请输入密文(大写字母/偶数):RXBJDXDHDUDUDUUU 9 11 10 9 11 5 12 1 13 解密成功！明文:AABBBCCCCZZ 14 Please input E for encryption or D for decryption：E 15 请输入明文:aazzbbbcccczz 16 ['a', 'a', 'z', 'z', 'b', 'b', 'b', 'c', 'c', 'c', 'c', 'z', 'z'] 17 ['a', 'Z', 'a', 'z', 'z', 'b', 'b', 'Z', 'b', 'c', 'c', 'Z', 'c', 'Z', 'c', 'z', 'z'] 18 ['a', 'Z', 'a', 'z', 'z', 'b', 'b', 'Z', 'b', 'c', 'c', 'Z', 'c', 'Z', 'c', 'z', 'z', 'Z'] 19 加密成功！密文:RXRXXDDXDHDUDUDUUU 20 Please input E for encryption or D for decryption：D 21 请输入密文(大写字母/偶数):RXRXXDDXDHDUDUDUUU 22 13 23 11 24 7 25 1 26 解密成功！明文:AAZZBBBCCCCZZ 27 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
1 # 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) 2 SECRET_LIST = [["M","O","N","A","R"], 3 ["C","H","Y","B","D"], 4 ["E","F","G","J","K"], 5 ["L","P","Q","S","T"], 6 ["U","V","W","X","Z"]] 7 8 #加密 9 def encryption(clear_text): 10 #去除空格与逗号 11 clear_text = clear_text.replace(" ", "").replace(",", "") 12 list_clear_text = list(clear_text) #字符串转化为列表 13 print(list_clear_text) 14 #两个字母为一组，在重复的明文字母中插入填充字母Z 15 flag = False 16 while not flag: 17 list_clear_text = deal_repeat(list_clear_text)[0] 18 flag = deal_repeat(list_clear_text)[1] 19 print(list_clear_text) 20 #若分组到最后一组时只有一个字母，则补充字母Z 21 if len(list_clear_text) % 2 == 1: 22 list_clear_text.append("Z") 23 print(list_clear_text) 24 #加密的核心代码 25 encryption_list = core_encryption(list_clear_text) #返回密文列表 26 return ("").join(encryption_list) 27 28 29 #处理一组字线是重复明文字母 30 def deal_repeat(list_clear_text): 31 count = 0 #计算列表中有多少组是不同的 32 flag = False 33 for i in range(len(list_clear_text)): 34 if(i % 2 == 1): #列表中的第d奇数个 35 if(list_clear_text[i] == list_clear_text[i-1]): #第奇数个与前一个(偶数)是否相同 36 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 37 break 38 if (list_clear_text[i] != list_clear_text[i - 1]): 39 count += 1 40 if count == int(len(list_clear_text) / 2): 41 flag = True 42 43 return list_clear_text,flag #返回的是元组 (list_clear_text, flag) 44 45 #获得字母在矩阵中的行与列 46 def get_rows_columns(alphabet): 47 if alphabet == "I": #矩阵中只有25个字母，I同J 48 alphabet = "J" 49 for i in range(len(SECRET_LIST)): 50 for j in range(len(SECRET_LIST[i])): 51 if (SECRET_LIST[i][j] == alphabet): 52 return i,j 53 54 55 # 加密的核心代码,先找出每一组字母在5*5矩阵 的行与列 56 def core_encryption(list_clear_text): 57 encryption_list = [] 58 for i in range(len(list_clear_text)): 59 if(i % 2 == 0): 60 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 61 y = list_clear_text[i+1].upper() 62 x_tuple = get_rows_columns(x) #返回元组形式 63 y_tuple = get_rows_columns(y) 64 # print(x_tuple) 65 # print(y_tuple) 66 if x_tuple[0] == y_tuple[0]: #若明文字母在矩阵中同行 67 x_secret = SECRET_LIST[x_tuple[0]][(x_tuple[1] + 1) % 5] 68 y_secret = SECRET_LIST[y_tuple[0]][(y_tuple[1] + 1) % 5] 69 elif x_tuple[1] == y_tuple[1]: #若明文字母在矩阵中同列 70 x_secret = SECRET_LIST[(x_tuple[0] + 1) % 5][x_tuple[1]] 71 y_secret = SECRET_LIST[(y_tuple[0] + 1) % 5][y_tuple[1]] 72 else: #若明文字母在矩阵中不同行不同列 73 x_secret = SECRET_LIST[x_tuple[0]][y_tuple[1]] 74 y_secret = SECRET_LIST[y_tuple[0]][x_tuple[1]] 75 encryption_list.append(x_secret) 76 encryption_list.append(y_secret) 77 return encryption_list #返回字母加密后的列表 78 79 80 #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 81 def core_decryption(list_cipher_text): 82 decryption_list = [] 83 for i in range(len(list_cipher_text)): 84 if(i % 2 == 0): 85 x = list_cipher_text[i] 86 y = list_cipher_text[i+1] 87 x_tuple = get_rows_columns(x) #返回元组形式 88 y_tuple = get_rows_columns(y) 89 if x_tuple[0] == y_tuple[0]: #若密文字母在矩阵中同行 90 x_clear = SECRET_LIST[x_tuple[0]][(x_tuple[1] - 1) % 5] 91 y_clear = SECRET_LIST[y_tuple[0]][(y_tuple[1] - 1) % 5] 92 elif x_tuple[1] == y_tuple[1]: #若密文字母在矩阵中同列 93 x_clear = SECRET_LIST[(x_tuple[0] - 1) % 5][x_tuple[1]] 94 y_clear = SECRET_LIST[(y_tuple[0] - 1) % 5][y_tuple[1]] 95 else: #若密文字母在矩阵中不同行不同列 96 x_clear = SECRET_LIST[x_tuple[0]][y_tuple[1]] 97 y_clear = SECRET_LIST[y_tuple[0]][x_tuple[1]] 98 decryption_list.append(x_clear) 99 decryption_list.append(y_clear) 100 return decryption_list #返回解密后的明文列表(需进一步处理,eg:去掉Z) 101 102 #解密 103 def decryption(cipher_text): 104 cipher_text = cipher_text.replace(" ", "").replace(",", "") 105 list_cipher_text = list(cipher_text.strip()) #将密文转化为列表 106 decryption_list = core_decryption(list_cipher_text) #调用函数 107 if decryption_list[-1] == "Z": #若列表最后一个元素是Z，则删除 108 decryption_list.pop(-1) 109 #找出列表应该删除的下标 110 delete_list = [] 111 for i in range(len(decryption_list)): 112 if i % 2 == 0: #第偶数个 113 #不越界 114 if i+2 < len(decryption_list) and 115 decryption_list[i] == decryption_list[i+2] and decryption_list[i+1] == "Z": 116 delete_list.append(i+1) 117 #decryption_list.pop(i+1) 118 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！ 119 for i in delete_list: 120 print(i) 121 decryption_list.pop(i) 122 return "".join(decryption_list) 123 124 125 126 if __name__ == "__main__": 127 while True: 128 choice = input("Please input E for encryption or D for decryption：") 129 if choice.strip() != "E" and choice.strip() != "D": 130 print("Input Error") 131 #加密 132 if choice.strip() == "E": 133 clear_text = input("请输入明文:") 134 print("加密成功！密文:%s" % encryption(clear_text)) 135 #解密 136 if choice.strip() == "D": 137 cipher_text = input("请输入密文(大写字母/偶数):") 138 print("解密成功！明文:%s" % decryption(cipher_text))
测试用例
1 Please input E for encryption or D for decryption：E 2 请输入明文:we are discovered save yourself 3 ['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'] 4 ['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'] 5 ['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'] 6 加密成功！密文:UGRMKCSXHMUFMKBTOXGCMVATLUKV 7 Please input E for encryption or D for decryption：D 8 请输入密文(大写字母/偶数):UGRMKCSXHMUFMKBTOXGCMVATLUKV 9 解密成功！明文:WEAREDJSCOVEREDSAVEYOURSELF 10 Please input E for encryption or D for decryption：E 11 请输入明文:aabbbcccc 12 ['a', 'a', 'b', 'b', 'b', 'c', 'c', 'c', 'c'] 13 ['a', 'Z', 'a', 'b', 'b', 'Z', 'b', 'c', 'c', 'Z', 'c', 'Z', 'c'] 14 ['a', 'Z', 'a', 'b', 'b', 'Z', 'b', 'c', 'c', 'Z', 'c', 'Z', 'c', 'Z'] 15 加密成功！密文:RXBJDXDHDUDUDU 16 Please input E for encryption or D for decryption：D 17 请输入密文(大写字母/偶数):RXBJDXDHDUDUDU 18 11 19 9 20 5 21 1 22 解密成功！明文:AABBBCCCC 23 Please input E for encryption or D for decryption：