两个转子的转轮机原理详解与算法实现

【转轮机编写（2个转子）】

1. Equipment

（1） operating system version ：WIN 10

（2） CPU instruction set: x 64

（3） software ：Visual Studio 2019

2. process

Problem background analysis

转轮机编写（2个转子)

首先了解关于Rotor Machines的概念，转轮机由一个键盘和一系列转轮组成，每个转轮是26个字母的任意组合。转轮被齿轮连接起来，当一个转轮转动时，可以将一个字母转换成另一个字母。照此传递下去，当最后一个转轮处理完毕时，就可以得到加密后的字母。还有一个经典的实例——Enigma-machine。

通常的转轮机是有三个转子，这里我仿照着上关于Enigma-machine的模型，我采用C++写了两个转子的转轮机。

Solution

code：

#include<iostream>
#include<stdlib.h>
#include<string>
using namespace std;
/** @Author:timerring* @Date: 2021-10-23 11:02:59* @LastEditTime: 2021-10-26 13:09:06* @FilePath:c:\Users\timerring\Enigma.cpp*/
void TurnWheel(int* wheel_l, int* wheel_r);//加密时进行正向转动TurnWheel函数
void ReverseWheel(int* wheel_l, int* wheel_r);//解密时进行逆向转动ReverseWheel函数
void Encrypt(char* plaintext, char* ciphertext, int* slow_l, int* slow_r, int* fast_l, int* fast_r);//声明加密函数
void Decrypt(char* ciphertext, char* plaintext, int* slow_l, int* slow_r, int* fast_l, int* fast_r);//声明解密函数void TurnWheel(int* wheel_l, int* wheel_r)
{//定义正向转轮函数int temp = wheel_l[25];//定义0-25共26个字母//采用for循环依次复制完成左侧转轮操作for (int i = 25; i > 0; i--)//规定正向转轮是递减的方向wheel_l[i] = wheel_l[i - 1];wheel_l[0] = temp;//同理完成右侧转轮操作temp = wheel_r[25];for (int i = 25; i > 0; i--)wheel_r[i] = wheel_r[i - 1];wheel_r[0] = temp;
}
void ReverseWheel(int* wheel_l, int* wheel_r)
{//定义逆向转轮函数int temp = wheel_l[0];for (int i = 0; i < 25; i++)//规定逆向转轮是递增的方向wheel_l[i] = wheel_l[i + 1];wheel_l[25] = temp;temp = wheel_r[0];for (int i = 0; i < 25; i++)wheel_r[i] = wheel_r[i + 1];wheel_r[25] = temp;
}
void Encrypt(char* plaintext, char* ciphertext, int* slow_l, int* slow_r, int* fast_l, int* fast_r)
{int count = 0;//快轮转动次数for (unsigned int i = 0; i < strlen(plaintext); i++){//加密过程if ('A' <= plaintext[i] && plaintext[i] <= 'Z'){//判断输入是否合法int current = plaintext[i] - 'A';//确定位置current = slow_l[current];for (int j = 0; j < 26; j++){if (current == slow_r[j]){current = fast_l[j];break;}}for (int j = 0; j < 26; j++){if (current == fast_r[j]){current = j;break;}}//转换到对应的大写字母ASCII码表中ciphertext[i] = char(current + 65);count++;TurnWheel(fast_l, fast_r);//快轮转动一次if (count % 26 == 0){//判断是否需要正向转轮TurnWheel(slow_l, slow_r);}}}
}
void Decrypt(char* ciphertext, char* plaintext, int* slow_l, int* slow_r, int* fast_l, int* fast_r)
{//定义解密函数int count = 0;for (unsigned int i = 0; i < strlen(ciphertext); i++){//先让轮子转成加密后的状态if ('A' <= ciphertext[i] && ciphertext[i] <= 'Z'){//判断输入是否合法count++;TurnWheel(fast_l, fast_r);}}if (count % 26 == 0){TurnWheel(slow_l, slow_r);}for (int i = strlen(ciphertext) - 1; i >= 0; i--){//解密过程if ('A' <= ciphertext[i] && ciphertext[i] <= 'Z'){//快轮先转回去一次再解密ReverseWheel(fast_l, fast_r);int current = ciphertext[i] - 'A';current = fast_r[current];for (int j = 0; j < 26; j++){if (current == fast_l[j]){current = slow_r[j];break;}}for (int j = 0; j < 26; j++){if (current == slow_l[j]){current = j;break;}}if (count % 26 == 0){ReverseWheel(slow_l, slow_r);}count--;//判断结束再进行自减操作//转换到对应的大写字母ASCII码表中plaintext[i] = char(current + 65);}}
}int main()
{int a;while (true) {cout << "You are welcome to use the two rotor Enigma-machine in SDU\n" << endl;cout << "Please enter the corresponding operation number:\n1.Encrypt\t2.Decrypt" << endl;cin >> a;//定义快慢两个转子的初始状态int slow_l[26] = { 24,25,26,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23 };int slow_r[26] = { 21,3,15,1,19,10,14,26,20,8,16,7,22,4,11,5,17,9,12,23,18,2,25,6,24,13 };int fast_l[26] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 };int fast_r[26] = { 8,18,26,17,20,22,10,3,13,11,4,23,5,24,9,12,25,16,19,6,15,21,2,7,1,14 };char* plaintext = new char[128];char* ciphertext = new char[128];memset(plaintext, 0, 128);//初始化明文memset(ciphertext, 0, 128);//初始化密文switch (a){//根据tag的值来执行相应的操作case 1:cout << "Please input the string you want to entrypt:" << endl;cin >> plaintext;//加密过程Encrypt(plaintext, ciphertext, slow_l, slow_r, fast_l, fast_r);cout << "cipertext:" << endl;for (unsigned int i = 0; i < strlen(ciphertext); i++){//按位输出密文cout << ciphertext[i];}cout << endl;break;case 2:cout << "Please input the string you want to decrypt:" << endl;cin >> ciphertext;//解密过程Decrypt(ciphertext, plaintext, slow_l, slow_r, fast_l, fast_r);cout << "cleartext:" << endl;for (unsigned int i = 0; i < strlen(plaintext); i++){//按位输出明文cout << plaintext[i];}cout << endl;break;default:system("cls");break;}}return 0;
}

Test sample:

此处测试样例明文为SDUQD，并将输出的加密结果再进行解密，得到解密后的明文仍为SDUQD，可知转轮机程序正常运行。

3. summary and harvest

我在实践上对于传统密码学，尤其是借助不同形式而实现的多表代换密码应用有了全新的认识，转轮密码机由多个转轮构成，每个转轮旋转的速度都不一样，这次我写的程序是2个转子，分别标号为1,2，其中1号转轮转动26个字母后，2号转轮就转动一个字母。因此，当转轮密码机转动26X26次后，所有转轮恢复到初始状态，即2个转轮密码机的一个周期长度为26X26（676）的多表代换密码。

在编写密码机的过程中，我按照密码机的代换原理，分别整个过程中可能用到的函数，其中的加密时采用的TurnWheel正向转轮以及解密时采用的ReverseWheel在最开始没有思路，因为不知道采用什么方式能完成一个动态的转轮过程，后来想到了数据结构与算法中的冒泡排序，采用了数组元素交换的方式完成动态的排序，于是采用相同的思路，我规定了中间变量，并且设定正向转轮时按照递减的方向依次顺序复制的方法实现。在最后进行明文输出的时候输出了乱码，通过分析，我注意到忘了将current变量在输出时转换到对应的大写字母ASCII码表中，于是通过序号+65转到ASCII码表中从而完成了对应的输出转换。

初学信息安全，可能存在错误之处，还请各位不吝赐教。

受于文本原因，本文相关算法实现工程无法展示出来，现已将资源上传，可自行点击下方链接下载。

两转子的转轮机原理详解与代码实践工程文件