在上篇文章中，讲述了一些加密解密的概念以及Caesar、单表替换密码、Playfair密码。在这篇文章中主要涉及Hill密码，Vigenere密码，Vernam密码,置换技术。

Hill密码

希尔密码(Hill Cipher)是运用基本矩阵论原理的替换密码，由Lester S.Hill在1929年发明。该加密算法将m个连续的明文字母替换成m个密文字母，这是由m个线性等式决定的，在等式里每个字母被指定为一个数值(a=0,b=1,....,z=25)。例如m=3，系统可以描述为： c1=(k11p1+k21p2+k31p3)mod26 c2=(k12p1+k22p2+k32p3)mod26 c3=(k13p1+k23p2+k33p3)mod26 用行向量和矩阵表示如下：

这里C和P是长度为3的行向量，分别代表密文和明文，K是一个3*3矩阵，代表加密密钥。运算按模26执行。相应的解密公式为P=CK-1mod26。

代码如下：

package com.general.encryanddecode;import java.util.Arrays;
import java.util.Random;/**
* Hill算法
* 希尔密码(Hill Cipher)是运用基本矩阵论原理的替换密码，由Lester S.Hill在1929年发明.下面实现简单的Hill算法的加密解密
*
* @author generalandroid
* **/
public class HillTest {private int[][] k= new int[3][3];//{17,17,5,21,18,21,2,2,19};/**逆矩阵**/private int[][] d_k=new int[3][3];//{4,9,15,15,17,6,24,0,17}private String table="ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";private int p_length;private String pContent;private String cContent;private int[] p_int;private int[] c_int;public HillTest(String cotent){System.out.println("原文："+cotent);pContent=cotent;p_length=pContent.length();initKAndDK();initPContent();}private void initKAndDK(){//正向矩阵k[0][0]=17;k[0][1]=17;k[0][2]=5;k[1][0]=21;k[1][1]=18;k[1][2]=21;k[2][0]=2; k[2][1]=2; k[2][2]=19;//逆向矩阵d_k[0][0]=4; d_k[0][1]=9; d_k[0][2]=15;d_k[1][0]=15;d_k[1][1]=17;d_k[1][2]=6;d_k[2][0]=24;d_k[2][1]=0; d_k[2][2]=17;}//对明文做初始处理private void initPContent(){if(p_length%3==2){pContent=pContent+"Z";}else if(p_length%3==1){pContent=pContent+"ZZ";}if(p_int==null){p_int=new int[pContent.length()];}int i=0;System.out.println(pContent.toCharArray());for(char c:pContent.toCharArray()){p_int[i]=table.indexOf(c);i++;}System.out.println("p_int="+Arrays.toString(p_int));}private void encrypt(){if (c_int==null){c_int=new int[pContent.length()];}for(int i=0;i<p_int.length;i=i+3){c_int[i]=(p_int[i]*k[0][0]+p_int[i+1]*k[1][0]+p_int[i+2]*k[2][0])%26;c_int[i+1]=(p_int[i]*k[0][1]+p_int[i+1]*k[1][1]+p_int[i+2]*k[2][1])%26;c_int[i+2]=(p_int[i]*k[0][2]+p_int[i+1]*k[1][2]+p_int[i+2]*k[2][2])%26;}System.out.println("c_int="+Arrays.toString(c_int));StringBuilder c_content=new StringBuilder();for(int c:c_int){c_content.append(table.charAt(c));}cContent=c_content.toString();System.out.println("密文："+cContent);}private void decrypt(){for(int i=0;i<p_int.length;i=i+3){p_int[i]=(c_int[i]*d_k[0][0]+c_int[i+1]*d_k[1][0]+c_int[i+2]*d_k[2][0])%26;p_int[i+1]=(c_int[i]*d_k[0][1]+c_int[i+1]*d_k[1][1]+c_int[i+2]*d_k[2][1])%26;p_int[i+2]=(c_int[i]*d_k[0][2]+c_int[i+1]*d_k[1][2]+c_int[i+2]*d_k[2][2])%26;}StringBuilder p_content=new StringBuilder();for(int c:p_int){p_content.append(table.charAt(c));}pContent=p_content.toString();System.out.println("明文："+pContent.substring(0,p_length));}public static void main(String[] args){HillTest hillTest= new HillTest("GENERALANDROIDGEEKAXYEN");hillTest.encrypt();hillTest.decrypt();}}
/**
原文：GENERALANDROIDGEEKAXYEN
GENERALANDROIDGEEKAXYENZ
p_int=[6, 4, 13, 4, 17, 0, 11, 0, 13, 3, 17, 14, 8, 3, 6, 4, 4, 10, 0, 23, 24, 4, 13, 25]
c_int=[4, 18, 23, 9, 10, 13, 5, 5, 16, 20, 21, 14, 3, 20, 9, 16, 4, 8, 11, 20, 3, 1, 14, 14]
密文：ESXJKNFFQUVODUJQEILUDBOO
明文：GENERALANDROIDGEEKAXYEN* **/复制代码

多表代替密码

对简单单表代替的改进方法是在明文消息中采用不同的单表代替。这种方法一般称之为多表代替密码 。所有这些方法都有以下的共同特征：(1)采用相关的单表代替规则集(2)密钥决定给定变换的具体规则。

Vigenere密码

Vigenere密码：多表代替密码中最著名的和最简单的是Vigenere密码。它的代替规则集由26个Caesar密码的代替表组成，其中每一个代替表是对明文字母表移位0～25次后得到的代替单表。每个密码由一个密钥字母来表示，这个密钥字母用来代替明文字母a，故移位3次的Caesar密码由密钥值3来代表。 代码如下：

package com.general.encryanddecode;import java.util.Arrays;/**** 多表代替密码-Vigenere* 它的代替规则集由26个Caesar密码的代替表组成，其中每一个代替表是对明文字母表移位0～25次后得到的代替单表。每个密码由一个密钥字母来表示* ，这个密钥字母用来代替明文字母a，故移位3次的Caesar密码由密钥值3来代表。* @author generalandroid*/
public class VigenereTest {private String key;private String pContent;private String cContent;private int[] key_index;private char[] p_content;private char[] c_key;private char[] c_content;public VigenereTest(String key,String content){this.key=key;this.pContent=content;System.out.println("密钥："+key);System.out.println("原文："+pContent);this.key_index=new int[pContent.length()];this.p_content=pContent.toCharArray();this.c_content=new char[p_content.length];initKey();}public static void main(String[] args){VigenereTest vigenereTest=new VigenereTest("GEAKAAZEN","GENERALANDROIDGEAKAAZEN");vigenereTest.encrypt();vigenereTest.decrypt();}/**重新构建密钥词**/private void initKey(){key=key+pContent.substring(0,pContent.length()-key.length());System.out.println("转换之后的key："+key);c_key=key.toCharArray();for(int i=0;i<c_key.length;i++){key_index[i]=c_key[i]-'A';}System.out.println("Caesar 代替集："+ Arrays.toString(key_index));}public void encrypt(){for(int i=0;i<p_content.length;i++){int p_index=p_content[i]+key_index[i];if(p_index>90){p_index=p_index-90+'A';//System.out.println("p_index:"+p_index);}c_content[i]=(char)p_index;}System.out.println("密文："+new String (c_content));}public void decrypt(){char []t=new char[p_content.length];for(int i=0;i<c_content.length;i++){int c_index=c_content[i]-key_index[i];if(c_index<65){c_index=c_index+90-'A';//System.out.println("c_index:"+c_index);}t[i]=(char)c_index;}System.out.println("明文："+new String (t));}}
/***密钥：GEAK原文：GENERALANDROIDGEAKAAZEN转换之后的key：GEAKGENERALANDROIDGEAKACaesar 代替集：[6, 4, 0, 10, 6, 4, 13, 4, 17, 0, 11, 0, 13, 3, 17, 14, 8, 3, 6, 4, 0, 10, 0]密文：MINOXEYEFDDOVGXSINGEZON明文：GENERALANDROIDGEAKAAZEN密钥：GEAKAAZEN原文：GENERALANDROIDGEAKAAZEN转换之后的key：GEAKAAZENGENERALANDROIDCaesar 代替集：[6, 4, 0, 10, 0, 0, 25, 4, 13, 6, 4, 13, 4, 17, 0, 11, 0, 13, 3, 17, 14, 8, 3]密文：MINORALEBJVCMUGPAXDROMQ明文：GENERALANDROIDGEAKAAAEN** **/复制代码

Vernam密码

Vernam密码：Vernam密码属于流密码，其加密过程是明文与密钥按位异或，解密过程是密文与密钥按位异或。

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。

代码如下：

package com.general.encryanddecode;import org.omg.Messaging.SYNC_WITH_TRANSPORT;import java.util.Arrays;/**** Vernam密码:Vernam密码属于流密码，其加密过程是明文与密钥按位异或，解密过程是密文与密钥按位异或。* @author generalandroid* **/
public class VernamTest {private String key;private String pContent;private String cContent;private char[] c_key;private char[] c_content;private char[] p_content;public VernamTest(String key,String content){this.key=key;this.pContent=content;System.out.println("密钥："+key);System.out.println("原文："+pContent);initKey();c_key=this.key.toCharArray();c_content=new char[pContent.length()];p_content=pContent.toCharArray();}public  static void main(String[] args){VernamTest vernamTest=new VernamTest("GEEK","GENERALANDROID");vernamTest.encrypt();vernamTest.decrypt();}/**重新构建密钥词**/private void initKey(){key=key+pContent.substring(0,pContent.length()-key.length());System.out.println("转换之后的key："+key);}public void encrypt(){for(int i=0;i<p_content.length;i++){c_content[i]=(char) (c_key[i]^p_content[i]);}System.out.println("密文："+new String(c_content));}public void decrypt(){char[] t=new char[c_content.length];for(int i=0;i<c_content.length;i++){t[i]=(char) (c_key[i]^c_content[i]);}System.out.println("明文："+new String(t));}}复制代码

置换技术

前面几种简单的加密技术都是使用的代替技术，即将明文的内容代替为其他内容 ，这里面会出现明文中没有的元素，而置换技术强调的是对明文的重排列，故不会出现明文中没有的元素。 栅栏技术：最简单的置换技术例子是栅栏技术，按照对角线的顺序写出明文， 而按行的顺序读出作为密文。举个例子：GENERALANDROID写成如下 GNRLNRI EEAADOD 则密文就为：GNRLNRIEEAADOD 一个更复杂的置换技术的例子：把消息一行一行地写成矩形块，然后按列读 出 ，但是把列的次序打乱。列的次序就是算法的密钥。 为了安全，一般对明文进行多次置换来保护信息。

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参考资料

《密码编码学与网络安全》第六版