实验五、古典密码（中）

实验目的和原理简介参见博客：古典密码（上）

一、实验内容

1、弗纳姆密码（Vernam Cipher）

（1）、算法原理

加密原理：
加密过程可以用方程 ci = pi (+) ki 表示，其中 pi 是明文第 i 个二进制位，ki 是密钥第 i 个二进制位，ci 是密文第 i 个二进制位，(+) 是异或运算符。密文是通过对明文和密钥的逐位异或而成的。

解密原理：
根据异或运算的性质，解密过程可以用方程 pi = ci (+) ki 表示，其中 pi 是明文第 i 个二进制位，ki 是密钥第 i 个二进制位，ci 是密文第i个二进制位，(+) 是异或运算符。

（2）、算法的代码实现（C语言）

使用文件进行读/写，而非从终端中直接输入明/密文。（此程序存在bug，正在修复中）

#include <stdio.h>
#include <string.h>

char plaintext[10010] = { 0 };  // 明文
char ciphertext[10010] = { 0 };  // 密文

char key[10010] = { 0 };  // 密钥

void encrypt(char plaintext[], char key[]);  // 加密函数
void decrypt(char ciphertext[], char key[]);  // 解密函数

int main()
{
	char a;
	int i = 0;
	
	printf("该程序实现弗纳姆密码。请输入密钥：\n");
	gets(key);
	
	
	int input;
	printf("请输入选项：1为加密；2为解密\n");
	scanf("%d", &input);
	
	if(input == 1)
	{
		// 加密
		printf("******加密中******\n\n");
		encrypt(plaintext, key);
		printf("******加密完成******\n");
	}
	
	else if(input == 2)
	{
		// 解密
		printf("******解密中******\n\n");
		decrypt(ciphertext, key);
		printf("******解密完成******\n");
	}
	
	else
		printf("错误的选项（只能为1或2）。程序退出。");
	
	return 0;
}

void encrypt(char plaintext[], char key[])
{
	FILE *in, *out;
	in = fopen("input1.txt", "r");
	out = fopen("output1.txt", "w");
	char a;
	int i;
	int j;
	while((a = fgetc(in)) != EOF)
	{
		plaintext[i ++] = a;
	}
	for(j = 0;j < i;j ++)
	{
		ciphertext[j] = plaintext[j] ^ key[j % strlen(key)];
	}
	fputs(ciphertext, out);
	fclose(in);
	fclose(out);
	return;
}

void decrypt(char ciphertext[], char key[])
{
	FILE *in, *out;
	in = fopen("input2.txt", "r");
	out = fopen("output2.txt", "w");
	char a;
	int i;
	int j;
	while((a = fgetc(in)) != EOF)
	{
		ciphertext[i ++] = a;
	}
	for(j = 0;j < i;j ++)
	{
		plaintext[j] = ciphertext[j] ^ key[j % strlen(key)];
	}
	fputs(plaintext, out);
	fclose(in);
	fclose(out);
	return;	
}

（3）、算法测试

加密过程演示：

明文：（位于input1.txt中）：

Here lies a toppled god - His fall was not a small one. We did but build his pedestal, A narrow and a tall one. - Tleilaxu Epigram

（语出弗兰克·赫伯特 Frank Herbert 的《沙丘：救世主 Dune: Messiah》，简单翻译过来是：这里躺着一个被推翻的神明——他轰然倒下。我们未曾有他助——只是将他供奉起来，让他如履薄冰。）

密钥：crucible （考验）

（插一句，借鉴（特别是二战）历史和经典谍战电影，双方在加密通信时使用某本书中约定好的某个单词，这里crucible是《沙丘：救世主》（原）书第125页的第1个单词。）

密文：（位于output1.txt中，为非打印（可见）字符。）

运行截图：

解密过程演示（恢复明文）：

密文：（位于input2.txt中，内容为加密后的输出）

密钥：crucible（和加密过程所用密钥相同）

明文：（位于output2.txt中）：

Here lies a toppled god - His fall was not a small one. We did but build his pedestal, A narrow and a tall one. - Tleilaxu Epigram

运行截图：

2、栅栏密码（Fence Cipher）

（1）、算法原理

加密原理：
栅栏密码按照列的顺序将明文（去掉空格）写入m行n列的数组，按照行的顺序将字符重新组合得到密文，这种方式称为m栏栅栏密码。

解密原理：
首先将密文分成n组，n为数组的行数，然后按照列的顺序将密文进行重新组合，最后将组合后的字符拼接起来，得到密文。

直观举例：

明文：
One Ring to rule them all, One Ring to find them, One Ring to bring them all and in the darkness bind them…

（语出J.R.R. 托尔金《魔戒 The Lord of the Rings》卷首，拙劣翻译为：一戒统御众人，一戒寻其踪迹，一戒召其而来，将其束于黑暗。）

首先去掉标点，变成：
OneRingtorulethemallOneRingtofindthemOneRingtobringthemallandinthedarknessbindthem，一个长“单词”，共82个字母：

写成一个10行9列（多余2个字母）的矩阵，竖读为明文，横读为密文：

（2）、算法的代码实现（C语言）

#include <stdio.h>
#include <string.h>

char plaintext[10010] = { 0 };
char ciphertext[10010] = { 0 };
char table[10010][10010] = { '*' };

void encrypt(char plaintext[], int n);
void decrypt(char ciphertext[], int n);

int n;  //行数 
int i, j, k;
int a, b; //len = a * n + b
int len;  //明文、密文的长度 

int main()
{	
	int input;
	printf("该程序实现栅栏密码。请输入选项：1为加密；2为解密\n");
	scanf("%d", &input);
	
	if(input == 1)
	{
		// 加密
		printf("请输入要加密的明文：\n");
		scanf("%s", plaintext);
		printf("请输入行数：\n");
		scanf("%d", &n);
		printf("加密结果：\n");
		encrypt(plaintext, n);
	}
	
	else if(input == 2)
	{
		// 解密
		printf("请输入要解密的密文：\n");
		scanf("%s", ciphertext);
		printf("请输入行数：\n");
		scanf("%d", &n);
		printf("解密结果：\n");
		decrypt(ciphertext, n);
	}
	
	else
		printf("错误的选项（只能为1或2）。程序退出。");
	
	return 0;
}

void encrypt(char plaintext[], int n)
{
	for(j = 0;j < n;j ++)
	{
		for(i = 0;i < strlen(plaintext);i ++)
		{
		    if(i % n == j)
			{
		    	putchar(plaintext[i]);
			}
		}
	}
	return;
}

void decrypt(char ciphertext[], int n)
{
	k = 0;
	len = strlen(ciphertext);
	a = len / n;
	b = len - a * n;
	//printf("%d %d", a, b);
	for(i = 0;i < b;i ++)
	{
		for(j = 0;j < a + 1;j ++)
		{
			table[i][j] = ciphertext[k ++];
		}
	}
	for(i = b;i < n;i ++)
	{
		for(j = 0;j < a;j ++)
		{
			table[i][j] = ciphertext[k ++];
		}
	}
	for(j = 0;j < a;j ++)
	{
		for(i = 0;i < n;i ++)
		{
			putchar(table[i][j]);
		}
	}
	for(i = 0;i < b;i ++)
	{
		putchar(table[i][a]);
	}
	return;
}

（3）、算法测试

使用上述例子中的明文进行测试，n（行数）为10.

加密过程：

解密过程：

成功恢复出明文。

二、参考文献

1、《密码编码学与网络安全——原理与实践（第七版）》（Cryptography and Network Security, Principles and Practice, Seventh Edition），【美】威廉 斯托林斯 William Stallings 著，王后珍等 译，北京，电子工业出版社，2017年12月。

2、《密码学实验教程》，郭华 刘建伟等 主编，北京，电子工业出版社，2021年1月。