（一）Python密碼學之旅---01古典密碼之初識

一提起「密碼」這個詞，大家總是覺得它蒙著一層神秘的面紗，給人的感覺總是神乎其神。其實不盡然，密碼學源於我們的生活，反過來服務於我們，現在每個人都在使用著密碼學的服務。從知乎、QQ等的驗證登錄，到支付寶的安全支付，再到最近火熱的比特幣和區塊鏈技術，都離不開密碼的支持。筆者想通過一系列的Python密碼學教程，使大家正確認識密碼學，理解密碼基本概念，並能正確將密碼學應用於實踐之中。

本節將介紹密碼學的基本概念和發展歷程，以古典密碼為例，了解密碼學的基本加密方法。

一、密碼學簡介

密碼學是一門非常古老的學科，是把人們能夠讀懂的消息變換成不易讀懂的信息用來隱藏信息內容，使得竊聽者無法理解消息的內容，同時又能夠讓合法用戶把變換的結果還原成能夠讀懂的消息。

密碼學的發展經歷了3個階段：（1）古典密碼。這個時期的密碼應該被稱之為藝術，而不是科學，是古代人民智慧的結晶，典型的密碼有陰符、藏頭詩、石蠟密信、反切密碼（明代戚繼光）、凱撒密碼和天書等。（2）近代密碼。1949年，偉大科學家香農發表了著名的《保密系統的通信理論》和《通信的數學理論》兩篇文章，使得密碼學從此由藝術走上了科學的道路，成為一門學科。（3）現代密碼學。1976年，美國國家標準局公布了數據加密標準（DES），這一對稱密碼標準在世界上廣泛流傳和應用；同年，密碼學家、圖靈獎獲得者Diffie和Hellman（2016年圖靈獎）發表了《密碼學的新方向》，開創了公鑰密碼學的新紀元。

二、古典密碼

作為密碼學的最開始發展階段，雖然並未形成體系，但有了近現代密碼的雛形，體現了密碼學的加密思想。

兩種基本的加密思想為：（1）代替(substitution)/替換，即明文字元被其他字元所替換，典型的密碼為凱撒密碼。（2）置亂（permutation）/置換，即打亂明文字元的順序，典型的密碼有天書、柵欄密碼、矩陣密碼等。

下面介紹最為經典的兩種古典密碼，即凱撒密碼和柵欄密碼，並使用Python進行實現。

2.1 凱撒密碼

該密碼以被古羅馬皇帝凱撒使用而聞名，用於和將軍們進行聯繫。它通常被作為其他更複雜的加密方法中的一個步驟，例如維吉尼亞密碼。但是和所有的利用字母表進行替換的加密技術一樣，愷撒密碼非常容易被破解，而且在實際應用中也無法保證通信安全。

其基本思想是：通過把字母移動一定的位數來實現加密和解密。例如，密匙是把明文字母的位數向後移動三位，那麼明文字母B就變成了密文的E,依次類推，X將變成A，Y變成B，Z變成C。

實現代碼為：

#字元表nmstr=abcdefghijklmnopqrstuvwxyzn#字元表長度nlengthM=len(mstr)nn#strs為輸入的明文，shitf為移動的位數ndef caesar(strs,shift):n newstrs =n for x in strs:n #獲取x字元在mstr中的位置n numX=mstr.index(x)n n #新的字元位置加上shiftn numX=(numX+shift)%lengthMn n newstrs=newstrs+mstr[numX]n n return newstrsnnif __name__ == __main__:n strs = raw_input("Enter character sequence:")n shift = input("Shift Numbers:")n C=caesar(strs,shift)n print("CiperText:",C)n print("PlainText:",caesar(C,int(shift)*(-1)))n

運行結果為：

>>Enter character sequence:abcden>>Shift Numbers:3n(CiperText:, defgh)n(PlainText:, abcde)n

2.2 柵欄密碼

該密碼的思想是「按列寫入，按行讀出」，就是把要加密的明文分成N個一組，然後把每組的第1個字連起來，形成一段無規律的話。

例如：用深度為2的柵欄技術加密明文「meet me after the party」

n可寫為

那麼按行讀出，密文為「mematrhtpryetefeteat」

def encrypt(pT,key):n #一維key列的字元串數組n array=[""]*keyn n #將明文pT，按列寫入array中n for x in range(0,len(pT)):n row=x%keyn array[row]+=pT[x]n print arrayn n #cp即為密文，將array按行讀出 n cp="" n for x in array:n cp+=xn n return cpnnnif __name__ == __main__:n #明文 n plainTxt="meetmeaftertheparty" n #柵欄設置為2欄n key=2n #對明文加密，並輸入密文n cipherTxt=encrypt(plainTxt,key)n print cipherTxtn

三、總結

本節介紹了密碼學的基本概念和發展歷程，接著講解了古典密碼中的凱撒密碼和柵欄密碼，並使用Python實現。

請大家在閱讀後，使用Python自行編寫出柵欄密碼的解密演算法。

參考文獻：

1. 彭長根.現代密碼學趣味之旅.金城出版社.2015

2. AI Sweigart. Python密碼學編程.人民郵電出版社.2016
3. 鄭東, 趙慶蘭, 張應輝. 密碼學綜述[J]. 西安郵電大學學報, 2013, 18(6): 1-10.

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