Playfair密码（原理+代码）

1、原理

2、流程图

3、编程实现

4、总结

1、原理

Playfair密码是一种使用一个关键词方格来加密字符对的加密算法，是一种多表代换的对称加密技术。

它依据一个5*5的正方形组成的密码表来编写，密码表里排列有25个字母。如果一种语言字母超过25个，可以去掉使用频率最少的一个。如，法语一般去掉w或k，德语则是把i和j合起来当成一个字母看待。英语中z使用最少，可以去掉它。可以很好的防御频率分析法的攻击。

同时Playfair密码对明文和密文有一定的要求：在加密之前首先需要整理明文，将明文中两个字母组成一组，如果两个字母相同则分成两组，在每组的后面加字母X或Q。如果明文字母个数是奇数，在最后一个字母之后加字母X或Q。密文的字母个数一定是偶数，任意两个同组的字母都不会相同。

Playfair密码加密的一般过程：

1、输入明文

2、输入密钥得到密码表

3、整理明文

4、加密明文得到密文

首先通过将密钥字母放在密码表的头部（第一行及之后或第一列及之后），之后将其他字母按字母顺序填充到密码表中以得到密码表。由于英文字母有26个，所以一般会将i和j放在同一个位置上。之后整理明文，最后加密明文。

加密规则：

若m1，m2在同一行，对应密文c1，c2分别是紧靠m1，m2 右端的字母。其中第一列被看做是最后一列的右方。
若m1，m2在同一列，对应密文c1，c2分别是紧靠m1，m2 下方的字母。其中第一行被看做是最后一行的下方。
若m1，m2不在同一行，不在同一列，则c1，c2是由m1，m2确定的矩形的其他两角的字母（横向替换或者纵向替换）。

解密就是加密的逆过程。
若c1，c2在同一行，对应明文m1，m2分别是紧靠c1，c2 左端的字母。其中第一列被看做是最后一列的右方。
若c1，c2在同一列，对应明文m1，m2分别是紧靠c1，c2 上方的字母。其中第一行被看做是最后一行的下方。
若c1，c2不在同一行，不在同一列，则m1，m2是由c1，c2确定的矩形的其他两角的字母（横向替换或者纵向替换）。

2、流程图

3、编程实现

难点：

1、如何根据密钥生成密码表

2、如何将密文解密恢复成明文

难点1：

由于密码表是25个字母，可以将j和i都看作字母i，即将明文中的j全部看作是i。

对于密码表，先将密钥字母填入密码表，再按字母顺序将未填入的字母填入到密码表中。

void initkey() {cout << endl << "请输入密钥以生成密码表：" << endl;string key = "";//输入密钥cin >> key;int i = 0;int j = 0;for (char ch : key) {if (ch == ' ' || vis[ch - 'a'])continue;if (ch == 'j')ch = 'i';m.insert(myMap::value_type(ch - 32, { i,j }));//不知道哪根筋抽了用map来存储密码表vis[ch - 'a'] = 1;i += j == 4;j = (j + 1) % 5;}for (int k = 0; k < 26; k++) {if (k == 9)continue;if (!vis[k]) {m.insert(myMap::value_type(k + 'A', { i,j }));vis[k] = 1;i += j == 4;j = (j + 1) % 5;}}//for (auto &temp : m) {// cout << temp.first << " " << temp.second.first << " " << temp.second.second << endl;//}cout << "成功生成密码表" << endl;
}

难点2:

密文恢复成明文就是明文加密成密文的逆过程，但是由于明文中的j变成了i，如果明文为奇数或者相邻两个字母相同时，还会加X，所以最后得到的明文并不是真正的明文，需要经过一些处理，在这里省略了处理的过程（其实是不会处理），毕竟主要还是学习密码的思想。

具体代码如下：

默认输入为小写字母不带空格

主函数

#include"Playfair.h"int main() {while (1) {show();     //菜单界面keyDown();    //按键处理system("pause");system("cls");}
}

Playfair.h

#pragma once
#include<cstdio>
#include<iostream>
#include<string>
#include<Windows.h>
#include<unordered_map>
using namespace std;
void init();
void initkey();
void show();
void keyDown();
void readFile();
void saveFile();
void encrypt();
void decrypt();

Playfair.cpp

#include "Playfair.h"string finalStr;
string fileStr;
typedef unordered_map<char, pair<int, int>> myMap;//密码表
myMap m;//5*5密码表 大写
int vis[26];//生成密码表标记 去掉jvoid init() {finalStr = "";fileStr = "";m = myMap();memset(vis, 0, sizeof(vis));
}void show()
{cout << "****************Playfair密码****************" << endl;cout << "\t\t1.加密文件" << endl;cout << "\t\t2.解密文件" << endl;cout << "\t\t3.退出" << endl;cout << "******************************************" << endl;
}void keyDown()//按键处理
{int userkey = 0;cin >> userkey;switch (userkey) {case 1:cout << "-----------------加密文件-----------------" << endl;readFile();initkey();encrypt();saveFile();init();break;case 2:cout << "-----------------解密文件-----------------" << endl;readFile();initkey();decrypt();saveFile();init();break;case 3:exit(0);break;}
}void readFile()//读取文件
{cout << "请输入文件名：" << endl;string fileName;cin >> fileName;FILE* fp = fopen(fileName.c_str(), "r+");if (fp == nullptr) {cout << "未找到相关文件" << endl;return;}else {cout << "成功打开文件" << endl;}char ch;int pos = 0;while ((ch = fgetc(fp)) != EOF) {fileStr += ch;}cout << endl << "明文为：" << endl;cout << fileStr << endl;fclose(fp);
}void saveFile()//保存文件
{string fileName;cout << endl << "请输入要保存信息的文件名：" << endl;cin >> fileName;FILE* fp = fopen(fileName.c_str(), "w+");if (fp == nullptr) {cout << endl << "保存文件失败" << endl;return;}else {cout << endl << "保存成功" << endl;}fprintf(fp, "%s", finalStr.c_str());fclose(fp);}void initkey() {cout << endl << "请输入密钥以生成密码表：" << endl;string key = "";//输入密钥cin >> key;int i = 0;int j = 0;for (char ch : key) {if (ch == ' ' || vis[ch - 'a'])continue;if (ch == 'j')ch = 'i';m.insert(myMap::value_type(ch - 32, { i,j }));vis[ch - 'a'] = 1;i += j == 4;j = (j + 1) % 5;}for (int k = 0; k < 26; k++) {if (k == 9)continue;if (!vis[k]) {m.insert(myMap::value_type(k + 'A', { i,j }));vis[k] = 1;i += j == 4;j = (j + 1) % 5;}}//for (auto &temp : m) {//  cout << temp.first << " " << temp.second.first << " " << temp.second.second << endl;//}cout << "成功生成密码表" << endl;
}char researchkey(int x, int y) {//在密码表里面查找明文字母对应的密文字母for (myMap::iterator it = m.begin(); it != m.end(); it++) {if (it->second.first == x && it->second.second == y) {return it->first;}}
}void encrypt() {//整理明文并加密string temp;//存放大写明文for (int i = 0; i < fileStr.size(); i++) {// 通过这个for循环去除非法字符以及将明文字母变为大写，将'J'变为'I'  if ((fileStr[i] >= 'a' && fileStr[i] <= 'z') || (fileStr[i] >= 'A' && fileStr[i] <= 'Z')) {if (fileStr[i] == 'j' || fileStr[i] == 'J') {temp += 'I';}else {temp += fileStr[i] >= 'a' ? fileStr[i] - 'a' + 'A' : fileStr[i];}}}if (temp.size() % 2 == 1) {temp += 'X';}//cout << temp << endl;int j1 = 0, j2 = 0, l1 = 0, l2 = 0;   //两个字符的坐标char p1, p2;                               //两个字符for (int i = 0; i < temp.size(); i += 2) {p1 = temp[i];p2 = temp[i + 1];j1 = m[p1].first;l1 = m[p1].second;j2 = m[p2].first;l2 = m[p2].second;if (p1 != p2) {//printf("%c %c %d %d %d %d\n",p1,p2,j1,l1,j2,l2);if (j1 == j2) {finalStr += researchkey(j1, (l1 + 1) % 5);finalStr += researchkey(j2, (l2 + 1) % 5);}else if (l1 == l2) {finalStr += researchkey((j1 + 1) % 5, l1);finalStr += researchkey((j2 + 1) % 5, l2);}else if (j1 != j2 && l1 != l2) {finalStr += researchkey(j1, l2);finalStr += researchkey(j2, l1);}}else {//p1p3 p2p3char p3 = 'X';int j3, l3;j3 = m[p3].first;l3 = m[p3].second;if (j1 == j3) {finalStr += researchkey(j1, (l1 + 1) % 5);finalStr += researchkey(j3, (l3 + 1) % 5);}else if (l1 == l3) {finalStr += researchkey((j1 + 1) % 5, l1);finalStr += researchkey((j3 + 1) % 5, l3);}else if (j1 != j3 && l1 != l3) {finalStr += researchkey(j1, l3);finalStr += researchkey(j3, l1);}if (j2 == j3) {finalStr += researchkey(j2, (l2 + 1) % 5);finalStr += researchkey(j3, (l3 + 1) % 5);}else if (l2 == l3) {finalStr += researchkey((j2 + 1) % 5, l2);finalStr += researchkey((j3 + 1) % 5, l3);}else if (j3 != j2 && l3 != l2) {finalStr += researchkey(j2, l3);finalStr += researchkey(j3, l2);}}}cout << endl << "生成的密文为：" << endl;cout << finalStr << endl;
}void decrypt() {//解密密文string temp = fileStr;int j1 = 0, j2 = 0, l1 = 0, l2 = 0;   //两个字符的坐标char p1, p2;                       //两个字符for (int i = 0; i < temp.size(); i += 2) {p1 = temp[i];p2 = temp[i + 1];j1 = m[p1].first;l1 = m[p1].second;j2 = m[p2].first;l2 = m[p2].second;if (j1 == j2) {finalStr += researchkey(j1, (l1 + 4) % 5) + 32;finalStr += researchkey(j2, (l2 + 4) % 5) + 32;}else if (l1 == l2) {finalStr += researchkey((j1 + 4) % 5, l1) + 32;finalStr += researchkey((j2 + 4) % 5, l2) + 32;}else if (j1 != j2 && l1 != l2) {finalStr += researchkey(j1, l2) + 32;finalStr += researchkey(j2, l1) + 32;}}cout << endl << "明文为：" << endl;cout << finalStr << endl;}

4、总结

Playfair密码作为一种多表代换密码，不同位置上相同的字母会被加密成不一样的密文，可以有效的防止频率分析法的攻击。不过在使用Playfair之前双方需要进行一些规定，比如密码表是去掉z还是将i和j放到一个位置上，是加字母Q还是加字母X等等。所以没有必要去纠结一些细节，现在也不会再使用这样的古典密码算法，学习密码算法的思想才是关键。