密码学之恺撒加密(03)

恺撒加密

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以下是本篇文章正文内容

一、中国古代加密

看一个小故事 ， 看看古人如何加密和解密：

公元683年，唐中宗即位。随后，武则天废唐中宗，立第四子李旦为皇帝，但朝政大事均由她自己专断。

裴炎、徐敬业和骆宾王等人对此非常不满。徐敬业聚兵十万，在江苏扬州起兵。裴炎做内应，欲以拆字手段为其传递秘密信息。后因有人告密，裴炎被捕，未发出的密信落到武则天手中。这封密信上只有“青鵝”二字，群臣对此大惑不解。

武则天破解了“青鵝”的秘密：“青”字拆开来就是“十二月”，而“鵝”字拆开来就是“我自与”。密信的意思是让徐敬业、骆宾王等率兵于十二月进发，裴炎在内部接应。“青鵝”破译后，裴炎被杀。接着，武则天派兵击败了徐敬业和骆宾王。

二、外国加密

在密码学中，恺撒密码是一种最简单且最广为人知的加密技术。

凯撒密码最早由古罗马军事统帅盖乌斯·尤利乌斯·凯撒在军队中用来传递加密信息，故称凯撒密码。这是一种位移加密方式，只对26个字母进行位移替换加密，规则简单，容易破解。下面是位移1次的对比：

将明文字母表向后移动1位，A变成了B，B变成了C……，Z变成了A。同理，若将明文字母表向后移动3位：

则A变成了D，B变成了E……，Z变成了C。

字母表最多可以移动25位。凯撒密码的明文字母表向后或向前移动都是可以的，通常表述为向后移动，如果要向前移动1位，则等同于向后移动25位，位移选择为25即可。

它是一种替换加密的技术，明文中的所有字母都在字母表上向后（或向前）按照一个固定数目进行偏移后被替换成密文。

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例如，当偏移量是3的时候，所有的字母A将被替换成D，B变成E，以此类推。

这个加密方法是以恺撒的名字命名的，当年恺撒曾用此方法与其将军们进行联系。

恺撒密码通常被作为其他更复杂的加密方法中的一个步骤。

简单来说就是当秘钥为n，其中一个待加密字符ch，加密之后的字符为ch+n，当ch+n超过’z’时，回到’a’计数。

三、凯撒位移加密

创建类 KaiserDemo，把 hello world 往右边移动3位

package com.atguigu.kaiser;

/**
 * KaiserDemo
 *
 * @Author: Json hao
 * @CreateTime: 2020-09-03
 * @Description:
 */
public class KaiserDemo {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        String input = "Hello world";
        // 往右边移动3位
        int key = 3;
        // 用来拼接
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        // 字符串转换成字节数组
        char[] chars = input.toCharArray();
        for (char c : chars) {
    
    
            int asciiCode = c;
            // 移动3位
            asciiCode = asciiCode + key;
            char newChar = (char) asciiCode;
            sb.append(newChar);
        }

        System.out.println(sb.toString());
    }
}

运行结果:

四、凯撒加密和解密

package com.atguigu.kaiser;

/**
 * KaiserDemo
 *
 * @Author: Json hao
 * @CreateTime: 2020-09-03
 * @Description:
 */
public class KaiserDemo {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        String orignal = "Hello world";
        // 往右边偏移三位
        int key = 3;
        // 选中我即将抽取的代码，按快捷键Ctrl + Alt + M 
        String encryptKaiser =  encryptKaiser(orignal,key);
        System.out.println("加密：" + encryptKaiser);
        String decryptKaiser =  decryptKaiser(encryptKaiser,key);
        System.out.println("解密：" + decryptKaiser);
    }
    /**
     * 使用凯撒加密方式解密数据
     *
     * @param encryptedData :密文
     * @param key           :密钥
     * @return : 源数据
     */
    public static String decryptKaiser(String encryptedData, int key) {
    
    
        // 将字符串转为字符数组
        char[] chars = encryptedData.toCharArray();
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (char aChar : chars) {
    
    
            // 获取字符的ASCII编码
            int asciiCode = aChar;
            // 偏移数据
            asciiCode -= key;
            // 将偏移后的数据转为字符
            char result = (char) asciiCode;
            // 拼接数据
            sb.append(result);
        }
        return sb.toString();
    }
    /**
     * 使用凯撒加密方式加密数据
     *
     * @param orignal :原文
     * @param key     :密钥
     * @return :加密后的数据
     */
    public static String encryptKaiser(String orignal, int key) {
    
    
        // 将字符串转为字符数组
        char[] chars = orignal.toCharArray();
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (char aChar : chars) {
    
    
            // 获取字符的ascii编码
            int asciiCode = aChar;
            // 偏移数据
            asciiCode += key;
            // 将偏移后的数据转为字符
            char result = (char) asciiCode;
            // 拼接数据
            sb.append(result);
        }
        return sb.toString();
    }
}

五、频度分析法破解恺撒加密

密码棒

公元前5世纪的时候，斯巴达人利用一根木棒，缠绕上皮革或者羊皮纸，在上面横向写下信息，解下这条皮带。展开来看，这长串字母没有任何意义。

比如这样：

信差可以将这条皮带当成腰带，系在腰上。

比如这样：

然后收件人将这条皮带缠绕在相同的木棒上，就能恢复信息了。

前404年，一位遍体鳞伤的信差来到斯巴达将领利桑德面前，这趟波斯之旅只有他和四位同伴幸存，利桑德接下腰带，缠绕到他的密码棒上，得知波斯的发那巴祖斯准备侵袭他，多亏密码棒利桑德才能够预先防范，击退敌军。

频率分析解密法

密码棒是不是太简单了些？

加密者选择将组成信息的字母替代成别的字母，比如说将a写成1，这样就不能被解密者直接拿到信息了。

这难不倒解密者，以英文字母为例，为了确定每个英文字母的出现频率，分析一篇或者数篇普通的英文文章，英文字母出现频率最高的是e，接下来是t，然后是a……，然后检查要破解的密文，也将每个字母出现的频率整理出来，假设密文中出现频率最高的字母是j，那么就可能是e的替身，如果密码文中出现频率次高的但是P，那么可能是t的替身，以此类推便就能解开加密信息的内容。这就是频率分析法。

在任何一种书面语言中，不同的字母或字母组合出现的频率各不相同。而且，对于以这种语言写的任意一段文本，都具有大致相同的特征字母分布。比如，在英语中，字母E出现的频率很高，而X出现的较少。类似地，ST、NG、TH以及QU等双字母组合出现的频率非常高，NZ、QJ组合则极少。英语中出现频率最高的12个字母可以简记为“ETAOIN SHRDLU”。

简单替换密码的频率分析，在一个简单的替换密码中，明文中的每一个字母都被另一个字母替换，而且明文中相同的字母在转换为密文时总是被同一个字母所替换。比如，所有的e都会被替换成x，一个含有大量x的密文消息会向密码破译者暗示x替换e。

• 将明文字母的出现频率与密文字母的频率相比较的过程
• 通过分析每个符号出现的频率而轻易地破译代换式密码
• 在每种语言中，冗长的文章中的字母表现出一种可对之进行分辨的频率。
• e是英语中最常用的字母，其出现频率为八分之一

英文字母频率统计表：

下面是人们从大量的英文文章中统计出的字母频率。

第一列的是字母，第二列是每个字母出现的频率，第三列是以最少使用的字母q为1计算得出的倍数表。

E	11.1607%	56.88	M	3.0129%	15.36
A	8.4966%	43.31	H	3.0034%	15.31
R	7.5809%	38.64	G	2.4705%	12.59
I	7.5448%	38.45	B	2.0720%	10.56
O	7.1635%	36.51	F	1.8121%	9.24
T	6.9509%	35.43	Y	1.7779%	9.06
N	6.6544%	33.92	W	1.2899%	6.57
S	5.7351%	29.23	K	1.1016%	5.61
L	5.4893%	27.98	V	1.0074%	5.13
C	4.5388%	23.13	X	0.2902%	1.48
U	3.6308%	18.51	Z	0.2722%	1.39
D	3.3844%	17.25	J	0.1965%	1.00
P	3.1671%	16.14	Q	0.1962%	(1)

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未完待续…