一、实验目的

二、实验内容

三、实验过程

1.概要设计

（1）随机全排列生成程序

（2）程序逻辑图

2.详细设计

（1）密钥字法

（2）洗牌法

（3）公式法

（4）自设计随机16全排列

（5）生成密码本（unsigned char *KeyGen）

（6）源代码

3.测试结果

（1）替换密码

（2）移位密码

4.遇到问题

四、实验体会

五、思考题

密码学实验一、二

随机全排列生成程序极其应用开发

两种基本古典密码设计与实现

一、实验目的

该实验为验证性实验。

通过本实验，使学生对于两种基本的古典密码编码方法（“代替”与“移位”）产生深刻的感性认识，体验清楚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

1. 设计一个周期3的多表代替密码并予以实现，要求：第1个表由密钥字法产生（密钥字自拟），第2个表由洗牌法产生（注意，字母a~z与数字0~25对应，洗牌法即相当于实验一的方法1（n=25）），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）。

2.设计一个周期5的16-置换移位密码并予以实现，要求：5个16-置换至少有一个是由实验一（n=15）提供的两个方法以外、自行设计的其它方法产生。

三、实验过程

1.概要设计

说明本程序中用到的所有数据结构的定义、主程序的流程以及程序模块之间的层次（调用）关系。可用流程图等图形化工具描述，并辅以对各模块功能的必要说明。

（1）随机全排列生成程序

方法1：读取一个随机文件中n+1字节数据存入d，对0~n的自然排列，从i=n开始，计算j=(d[i-1]+d[i])%i ，并交换P[i]与P[j]的值。

程序设计：

unsigned char *full_array1(int n)
{int i,j;char filename[20];FILE *fp;static unsigned char d[256],P[256],temp;start:printf("\n 请输入随机数据采样文件名:\n");scanf("%s",filename);if( (fp=fopen(filename,"rb"))==NULL ){printf("没有找到文件：%s\n",filename);goto start;}fread(d,n+1,1,fp);fclose(fp);for(i=0;i<=n;i++){P[i] = i ; //形成自然排列}for(i=n;i>0;i--){j=(d[i-1]+d[i])%i ;temp = P[i] ;P[i] = P[j];P[j] = temp; //交换}return(P);
}

方法2：随机函数生成一串，依次mod n，并入排列，并将重复的删去，直到生成0~n的随机全排列。

程序设计：

unsigned char *full_array2(int n)
{int m, i, j, k, l=0, flag;static unsigned char P[256];start:printf("\n请输入不小于%d的所用随机数个数：\n", n+1);scanf("%d",&m);if(m<=n){printf("\n输入数%d比%d小，须重新输入！\n", m, n+1);goto start;}srand((unsigned)time(NULL));for(i=0;i<m;i++){P[l++]=(unsigned char)(rand()%(n+1));for(j=0;j<l-1;j++){if(P[j]==P[l-1]){l--;break;}}}k=l;for(i=0;i<=n;i++){flag=0;for(j=0;j<k;j++){if(P[j]==i){flag=l;break;}}if(!flag){P[l]=i;l++;}}return (P);
}

（2）程序逻辑图

主函数（题目一）：

（题目二相似）

KeyGen_s函数（生成密码本）：

2.详细设计

（1）密钥字法

原理：首先选择一个便于记忆的字母串作为密钥字，然后删去密钥字中重复字母，接下来用余下字母顺序添加至密钥之后，形成全新26字母排序。

举例：以密钥为hello为例,下图为该密钥生成密码本。

以密钥为abcabc为例,下图为该密钥生成密码本。

程序设计：

printf("\n请输入密钥字：\n");
gets(KeyWords);
strcat(KeyWords,"abcdefghijklmnopqrstuvwxyz");
k=0;
l=strlen(KeyWords);
ChoiceWords[k]=tolower(KeyWords[0]);
for(i=1;i<l;i++)
{
if(letter_to_digit(KeyWords[i])==-1)
{
continue;
}
ChoiceWords[++k]=tolower(KeyWords[i]);
for(j=0;j<k;j++)
{
if(ChoiceWords[j]==ChoiceWords[k])
{
k--;
break;
}
}
}
for(i=0;i<26;i++)
{
KeyTab[i]=(unsigned char)letter_to_digit(ChoiceWords[i]);
}

（2）洗牌法

原理：就是将写有0~（n-1）的n张纸牌打乱次序后重新排列。打乱次序的方式利用（1）随机全排列生成程序。

程序设计：

p=full_array1(25);                         //生成随机全排列for(i=0;i<26;i++)KeyTab[26+i]=p[i];   //密码本27~52（抽牌法）

（3）公式法

原理：利用公式生成密码表。公式为（11*i+3）mod 26

程序设计：

for(i=0;i<26;i++)
KeyTab[52+i]=(unsigned char)((11*i+3)%26);//密码本53~78

（4）自设计随机16全排列

原理：

unsigned char *full_array16_pickout(){
//自己写的创建随机16全排列，抽牌法  int i,j,l;  static unsigned char p[256];  while(l<16){  p[l++]=(unsigned char)(rand()%16);  for(j=0;j<l-1;j++){  if(p[j]==p[l-1]){  l--;  break;  }  }  }  static unsigned char pout[256];  l=15,i=0;  while(l>=0){  j=rand()%16;  pout[i++]=p[j];  p[j]=p[l--];  }  return pout;
}

（5）生成密码本（unsigned char *KeyGen）

原理：该函数生成密码本本质上是一个78长的数组。前26位存储密钥字法生成的字母序列；中间26位存储抽牌法生成的字母序列；最后26位储存公式法生成序列。

以下为周期3替代密码表。

密钥字

抽牌

公式

生成五组随机数，构成5-16置换密码表。

0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15

（6）源代码

在编写代码过程中，部分函数参考实验指导书，主函数

题目一：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <ctype.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
unsigned char *KeyGen_s();
unsigned char *full_array1(int n);
int letter_to_digit(char c);
char digit_to_letter(int n);
void Encrypt_s(unsigned char *key);
int main()
{unsigned char *key;key=KeyGen_s();printf("\n以下为生成密码本：\n");for(int i=0;i<3;i++){
for(int j=0;j<26;j++){
putchar(digit_to_letter(key[i*26+j]));
printf("  ");
}
printf("\n");}Encrypt_s(key);return 0;
}
int letter_to_digit(char c)  //字母——数字
{int i;char alphabet[26];
for(int i=0;i<26;i++)alphabet[i]='a'+i;for(i=0;i<26;i++){if(tolower(c)==alphabet[i]){return (i);}}return(-1);
}
char digit_to_letter(int n)//数字-——字母
{char alphabet[26];
for(int i=0;i<26;i++)alphabet[i]='a'+i;if(n<0 || n>25){return (0);}return (alphabet[n]);
}
unsigned char *KeyGen_s()      //用于生成密码本
{char KeyWords[106];char ChoiceWords[26];unsigned char *p;static unsigned char KeyTab[26*3];//创建密码本int i, j, k, l;printf("\n请输入密钥字：\n");gets(KeyWords);strcat(KeyWords,"abcdefghijklmnopqrstuvwxyz");k=0;l=strlen(KeyWords);ChoiceWords[k]=tolower(KeyWords[0]);for(i=1;i<l;i++)
//密钥字法后续删除重复字母{if(letter_to_digit(KeyWords[i])==-1){continue;}ChoiceWords[++k]=tolower(KeyWords[i]);for(j=0;j<k;j++){if(ChoiceWords[j]==ChoiceWords[k]){k--;break;}}}for(i=0;i<26;i++){KeyTab[i]=(unsigned char)letter_to_digit(ChoiceWords[i]);
//密码本前26 (密钥字法）}p=full_array1(25);  //生成随机全排列for(i=0;i<26;i++){KeyTab[26+i]=p[i];     //密码本27~52（抽牌法）}for(i=0;i<26;i++){KeyTab[52+i]=(unsigned char)((11*i+3)%26);
//密码本53~78    公式为11*i+3(mod 26)}return(KeyTab);
}
void Encrypt_s(unsigned char *key)
// 读取文件，输出密文{int i;FILE *fp;char filename[20], c;start:printf("\n请输入待加密文本文件名：\n");scanf("%s", filename);if((fp=fopen(filename,"rt"))==NULL){printf("没有找到文件：%s\n",filename);goto start;}printf("\n密文如下：\n");i=0;while((c=fgetc(fp))!=EOF){if(letter_to_digit(c)==-1){putchar(c);continue;}isupper(c)?putchar(toupper(digit_to_letter(key[(int)((i%3)*26+letter_to_digit(c))]))):\
putchar(digit_to_letter(key[(int)(i%3)*26+letter_to_digit(c)]));i++;if(i>=26*3)i=0;}fclose(fp);
}
unsigned char *full_array1(int n)
{int i,j;char filename[20];FILE *fp;static unsigned char d[256],P[256],temp;start:printf("\n 请输入随机数据采样文件名:\n");scanf("%s",filename);if( (fp=fopen(filename,"rb"))==NULL ){printf("没有找到文件：%s\n",filename);goto start;}fread(d,n+1,1,fp);fclose(fp);for(i=0;i<=n;i++){P[i] = i ; //形成自然排列}for(i=n;i>0;i--){j=(d[i-1]+d[i])%i ;temp = P[i] ;P[i] = P[j];P[j] = temp; //交换}return(P);
}

题目二：

#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <stdlib.h>
unsigned char *full_array2(int n);
unsigned char *KeyGen_p();
void Encrypt_p(unsigned char *key);
int main()
{unsigned char *key;key=KeyGen_p();
for(int i=0;i<5;i++){
for(int j=0;j<16;j++){
printf("  %d",key[i*16+j]))
}
printf("\n");}Encrypt_p(key);return 0;
}
unsigned char *KeyGen_p()
{unsigned char *p;static unsigned char KeyTab[16*5];int i, j;for(i=0;i<5;i++){p=full_array2(15);for(j=0;j<16;j++){KeyTab[16*i+j]=p[j];}}return(KeyTab);
}
void Encrypt_p(unsigned char *key)
{int i, j;FILE *fp;char filename[26], c;char d[16];start:printf("\n请输入待加密文本文件名：\n");scanf("%s", filename);if((fp=fopen(filename,"rt"))==NULL){printf("没有找到文件：%s\n",filename);goto start;}printf("\n密文如下：\n");i=0;while((c=fgetc(fp))!=EOF){d[i%16]=c;i++;if(i%16!=0){continue;}for(j=0;j<16;j++){putchar(d[key[(int)(((i-1)/16)*16+j)]]);}if(i>=16*5){i=0;}}if(i%16!=0){for(j=i%16;j<16;j++){d[j]='*';}for(j=0;j<16;j++){putchar(d[key[(int)((i/16)*16+j)]]);}}putchar('\n');
}
unsigned char *full_array2(int n)
{int m, i, j, k, l=0, flag;static unsigned char P[256];start:printf("\n请输入不小于%d的所用随机数个数：\n", n+1);scanf("%d",&m);if(m<=n){printf("\n输入数%d比%d小，须重新输入！\n", m, n+1);goto start;}srand((unsigned)time(NULL));for(i=0;i<m;i++){P[l++]=(unsigned char)(rand()%(n+1));for(j=0;j<l-1;j++){if(P[j]==P[l-1]){l--;break;}}}k=l;for(i=0;i<=n;i++){flag=0;for(j=0;j<k;j++){if(P[j]==i){flag=l;break;}}if(!flag){P[l]=i;l++;}}return (P);
}

3.测试结果

密文：

（1）替换密码

运行结果：

检验：密码本如下

检验前六位：

明文	Q	i	s	a	s	y
密文	P	e	t	j	i	h

检验结果正确。

（2）移位密码

运行结果：

检验：密码本如下

0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
0	6	7	8	3	10	1	11	4	9	13	12	14	2	5	15
3	2	0	8	14	9	11	5	10	1	6	15	7	12	4	13
6	14	8	7	2	12	0	1	5	13	3	4	15	9	10	11
0	4	5	8	11	14	15	6	9	3	1	10	2	12	7	13
7	12	1	4	13	9	0	14	3	8	6	10	2	5	11	15

检验前16位：

明

密

检验结果正确。

4.遇到问题

在实验过程中部分代码参考实验指导书，因此在实验过程中，发现实验指导书上存在的一些问题

（1）程序报错

程序在运行此行代码时报错，原因与长度有关。

解决方法：改进代码，如下。

char alphabet[i]；

for(int i=0;i<26;i++)alphabet[i]='a'+i;

（2）实验指导书关于题目一代码错误

按照次代码，会将明文前26个用密钥字法加密；第二个26用抽牌法加密……。与要求周期3不符。

解决方法：修改代码，将i除26修改为i模3；

正在上传…重新上传取消

四、实验体会

本次是密码学的第一次实验，主要是两种基本古典密码设计与实现，在操作之中逐渐熟悉了他们的使用方法并了解了两种密码的差异。

本次实验的函数对我相对困难，因此部分函数借鉴了实验指导书，在对实验指导书的学习过程中，我也发现了实验指导书上面存在一些问题，并通过自己的理解修改了函数，并得到了老师的肯定。

能发现问题，源自于我对题目的深刻理解，这次实验之前的预习必不可少，投入的时间终究会有回报。

五、思考题

思考题：“代替表”与“置换”的不动点、逆等是否一致？

不一致。

代替密码的实质是从明文空间通过一定的映射关系到密文空间，已经不再是原来的集合了。移位密码的实质是在明文空间内部，通过移动明文位置，使明文乱序，从而达到加密的目的。两者的不动点和逆只有在统一集合变换时才可能一样。

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