文章目录

前言
一密码学
二凯撒加密的实践

前言

本文章学自尚硅谷密码学课程，面对小白群体！！！
本文章仅用于学习和交流，禁止用于其他用途，如若存在侵权，请及时联系作者，作者会及时进行处理。

一密码学

密码学是研究编制密码和破译密码的技术科学。研究密码变化的客观规律，应用于编制密码以保守通信秘密的，称为编码学；应用于破译密码以获取通信情报的，称为破译学，总称密码学。
密码学是网络安全、信息安全、区块链等产品的基础，常见的非对称加密、对称加密、散列函数等，都属于密码学范畴。
密码学有数千年的历史，从最开始的替换法到如今的非对称加密算法，经历了古典密码学，近代密码学和现代密码学三个阶段。 密码学不仅仅是数学家们的智慧，更是如今网络空间安全的重要基础。

1.1 古典密码学

在古代的战争中，多见使用隐藏信息的方式保护重要的通信资料。但藏信息的方式比较容易被他人识破。通俗来讲，就是加密的方式相对来所比较简单。

1.1.1 替换法

替换法：用固定的信息将原文替换成无法直接阅读的密文信息。例如将 b 替换成 w ，e 替换成p ，这样bee 单词就变换成了wpp，不知道替换规则的人就无法阅读出原文的含义。
替换法有单表替换和多表替换两种形式。
单表替换即只有一张原文密文对照表单，发送者和接收者用这张表单来加密解密。如：表单为：a b c d e - s w t r p 。
多表替换即有多张原文密文对照表单，不同字母可以用不同表单的内容替换。
- 例如约定好表单为：表单 1：a b c d e - s w t r p 、表单2： a b c d e - c h f h k 、表单 3：a b c d e - j f t o u。规定第一个字母用第三张表单，第二个字母用第一张表单，第三个字母用第二张表单，这时 bee单词就变成了(312)fpk ，破解难度更高，其中 $312$ 又叫做密钥，密钥可以事先约定好，也可以在传输过程中标记出来。

1.1.2 移位法

移位法就是将原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得出密文，典型的移位法应用有 “ 恺撒密码 ”
例如约定好向后移动2位（abcde - cdefg），这样 bee 单词就变换成了dgg 。
移位法也可以采用多表移位的方式 ，典型的多表案例是“维尼吉亚密码”（又译维热纳尔密码），属于多表密码的一种形式。

1.1.3 古典密码破解方式

古典密码虽然很简单，但在密码史上是使用的最久的加密方式，直到“概率论”的数学方法被发现，古典密码就被破解了。
在密码学中，频率分析是指研究字母或者字母组合在文本中出现的频率。应用频率分析可以破解古典密码。
频率分析基于如下原理：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，对于以这种语言书写的任意一段文本，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则出现得较少。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”。
如果密文数量足够大，仅仅采用频度分析法就可以破解单表的替换法或移位法。
多表的替换法或移位法虽然难度高一些，但如果数据量足够大的话，也是可以破解的。以维尼吉亚密码算法为例，破解方法就是先找出密文中完全相同的字母串，猜测密钥长度，得到密钥长度后再把同组的密文放在一起，使用频率分析法破解。

二近代密码学

恩尼格玛机是二战时期纳粹德国使用的加密机器，后被英国破译，参与破译的人员有被称为计算机科学之父、人工智能之父的图灵。
恩尼格玛机使用的加密方式本质上还是移位和替代，只不过因为密码表种类极多，破解难度高，同时加密解密机器化，使用便捷，因而在二战时期得以使用。

2.1 现代密码学

2.1.1 散列函数

散列函数【杂凑函数、摘要函数或哈希函数】，可将任意长度的消息经过运算，变成固定长度数值，常见的有MD5、SHA-1、SHA256，多应用在文件校验，数字签名中。
MD5 可以将任意长度的原文生成一个128位（16字节）的哈希值
SHA-1可以将任意长度的原文生成一个160位（20字节）的哈希值

2.1.2 对称密码

对称密码应用了相同的加密密钥和解密密钥。采用单钥密码系统的加密方法，也称为单密钥加密。
示例
- 现在有一个原文 $3$ 要发送给 $B$
- 设置密钥为 $108$ , $3 * 108 = 324$ , 将 $324$ 作为密文发送给 $B$
- B拿到密文 $324$ 后, 使用 $324/108 = 3$ 得到原文
对称密码分为：序列密码(流密码)，分组密码(块密码)两种。
流密码是对信息流中的每一个元素（一个字母或一个比特）作为基本的处理单元进行加密
- 如：原文为1234567890，流加密即先对1进行加密，再对2进行加密，再对3进行加密……最后拼接成密文；块加密先分成不同的块，
块密码是先对信息流分块，再对每一块分别加密。
- 如：1234成块，5678成块，90XX(XX为补位数字)成块，再分别对不同块进行加密，最后拼接成密文。前文提到的古典密码学加密方法，都属于流加密。

2.1.3 非对称密码

对称密码的密钥安全极其重要，加密者和解密者需要提前协商密钥，并各自确保密钥的安全性，一但密钥泄露，即使算法是安全的也无法保障原文信息的私密性。

在实际的使用中，远程的提前协商密钥不容易实现，即使协商好，在远程传输过程中也容易被他人获取，因此非对称密钥此时就凸显出了优势。

非对称密码有两支密钥，公钥（publickey）和私钥（privatekey），加密和解密运算使用的密钥不同。
用公钥对原文进行加密后，需要由私钥进行解密；用私钥对原文进行加密后（此时一般称为签名），需要由公钥进行解密（此时一般称为验签）。公钥可以公开的，大家使用公钥对信息进行加密，再发送给私钥的持有者，私钥持有者使用私钥对信息进行解密，获得信息原文。因为私钥只有单一人持有，因此不用担心被他人解密获取信息原文。

二凯撒加密的实践

2.1 基础知识：ASCII编码

ASCII（American Standard Code for Information Interchange，美国信息交换标准代码）是基于拉丁字母的一套电脑编码系统，主要用于显示现代英语和其他西欧语言。它是现今最通用的单字节编码系统，并等同于国际标准ISO/IEC 646。

2.2 ascii编码演示

依赖：

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>commons-io</groupId>
        <artifactId>commons-io</artifactId>
        <version>2.6</version>
    </dependency>
</dependencies>

字符串转换成ascii码

public class AsciiDemo {
      
      
    public static void main(String[] args) {
      
      
        // 定义字符串
        String a = "AaZ";
        // 需要拆开字符串
        char[] chars = a.toCharArray();
        for (char aChar : chars) {
      
      
            int asciicode = aChar;
            System.out.println(asciicode);
        }
    }
}

2.3 凯撒加密和解密实践

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。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。
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：
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。

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。

public class KaiserDemo {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        // 定义原文
        String input = "HELLO WORLD";
        // 把原文右边移动3位
        int key = 3;
        // 凯撒加密
        String s = encrypt(input,key);
        System.out.println("加密==" + s);
        String s1 = decrypt(s,key);
        System.out.println("明文=="+s1);
    }

    /**
     * 解密
     * @param s 密文
     * @param key 密钥
     * @return
     */
    public static String decrypt(String s, int key) {
    
    
        char[] chars = s.toCharArray();
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (char aChar : chars) {
    
    
            int b = aChar;
            //记录加密后的字符
            int temp=aChar;
            // 偏移数据
            b -= key;
            //如果解码后，发生下溢，则将其+26
            // 同时使用temp判断加密后的字符是否字母，是，进行下溢修正，否则，不做操作
            if(b<'A' && temp>'A') {
    
    
                b+=26;
            }
            char newb = (char) b;
            sb.append(newb);
        }
        return sb.toString();
    }

    /**
     * 加密
     * @param input 原文
     * @return
     */
    public static String encrypt(String input,int key) {
    
    
        // 把字符串变成字节数组
        char[] chars = input.toCharArray();
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (char aChar : chars) {
    
    
            int b = aChar;
            // 往右边移动3位
            b = b + key;
            //控制大写字母的移位范围A-Z循环，超过范围从头开始
            if(b>'Z'){
    
    
                b-=26;
            }
            char newb = (char) b;
            sb.append(newb);
        }
        return sb.toString();
    }
}

在这里插入图片描述

2.4 频率分析解密法

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。
- 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
关键代码

/**
 * 频率分析法破解凯撒密码
 */
public class FrequencyAnalysis {
    
    
	//英文里出现次数最多的字符
	private static final char MAGIC_CHAR = 'e';
	//破解生成的最大文件数
	private static final int DE_MAX_FILE = 4;
	
	public static void main(String[] args) throws Exception {
    
    

		printCharCount("src/article.txt");
		//加密文件
		int key = 3;
		encryptFile("src/article.txt", "article_en.txt", key);

		//测试1，统计字符个数
		printCharCount("article_en.txt");

		//读取加密后的文件
	    String artile = Util.file2String("article_en.txt");
	    //解密（会生成多个备选文件）
	    decryptCaesarCode(artile, "article_de.txt");
	}
	
	public static void printCharCount(String path) throws IOException{
    
    
		String data = Util.file2String(path);
		List<Entry<Character, Integer>> mapList = getMaxCountChar(data);
		for (Entry<Character, Integer> entry : mapList) {
    
    
			//输出前几位的统计信息
			System.out.println("字符'" + entry.getKey() + "'出现" + entry.getValue() + "次");
		}
	}
	
	public static void encryptFile(String srcFile, String destFile, int key) throws IOException {
    
    
		String artile = Util.file2String(srcFile);
		//加密文件
		String encryptData = KaiserDemo.encrypt(artile, key);
		//保存加密后的文件
		Util.string2File(encryptData, destFile);
	}
	
	/**
	 * 破解凯撒密码
	 * @param input 数据源
	 * @return 返回解密后的数据
	 */
	public static void decryptCaesarCode(String input, String destPath) {
    
    
		int deCount = 0;//当前解密生成的备选文件数
		//获取出现频率最高的字符信息（出现次数越多越靠前）
		List<Entry<Character, Integer>> mapList = getMaxCountChar(input);
		for (Entry<Character, Integer> entry : mapList) {
    
    
			//限制解密文件备选数
			if (deCount >= DE_MAX_FILE) {
    
    
				break;
			}
			
			//输出前几位的统计信息
			System.out.println("字符'" + entry.getKey() + "'出现" + entry.getValue() + "次");
			
			++deCount;
			//出现次数最高的字符跟MAGIC_CHAR的偏移量即为秘钥
			int key = entry.getKey() - MAGIC_CHAR;
			System.out.println("猜测key = " + key + "， 解密生成第" + deCount + "个备选文件" + "\n");
			String decrypt = KaiserDemo.decrypt(input, key);
			
			String fileName = "de_" + deCount + destPath;
			Util.string2File(decrypt, fileName);
		}
	}
	
	//统计String里出现最多的字符
	public static List<Entry<Character, Integer>> getMaxCountChar(String data) {
    
    
		Map<Character, Integer> map = new HashMap<Character, Integer>();
		char[] array = data.toCharArray();
		for (char c : array) {
    
    
			if(!map.containsKey(c)) {
    
    
				map.put(c, 1);
			}else{
    
    
				Integer count = map.get(c);
				map.put(c, count + 1);
			}
		}

		
		//获取获取最大值
		int maxCount = 0;
		for (Entry<Character, Integer> entry : map.entrySet()) {
    
    
			//不统计空格
			if (/*entry.getKey() != ' ' && */entry.getValue() > maxCount) {
    
     
				maxCount = entry.getValue();
			}
		}
		
		//map转换成list便于排序
		List<Entry<Character, Integer>> mapList = new ArrayList<Entry<Character,Integer>>(map.entrySet());
		//根据字符出现次数排序
		Collections.sort(mapList, new Comparator<Entry<Character, Integer>>(){
    
    

			public int compare(Entry<Character, Integer> o1,
					Entry<Character, Integer> o2) {
    
    
				return o2.getValue().compareTo(o1.getValue());
			}
		});
		return mapList;
	}
}

在这里插入图片描述

运行结果 # 出现次数最多，我们知道在英文当中 e 出现的频率是最高的，我们假设现在 # 号，就是 e ，变形而来的，我以对照 ascii 编码表，凯撒加密当中位移是加了一个 key ，所以猜测两个值直接相差 -66 ，以 -66 进行解密生成一个文件，查看第一个文件发现读不懂，所以解密失败。再猜测 h 是 e ，h 和 e 之间相差3 ，所以我们在去看第二个解密文件，发现可以读懂，解密成功。

密码学【java语言】初探究

文章目录

前言

一密码学

1.1 古典密码学

1.1.1 替换法

1.1.2 移位法

1.1.3 古典密码破解方式

二近代密码学

2.1 现代密码学

2.1.1 散列函数

2.1.2 对称密码

2.1.3 非对称密码

二凯撒加密的实践

2.1 基础知识：ASCII编码

2.2 ascii编码演示

2.3 凯撒加密和解密实践

2.4 频率分析解密法

猜你喜欢

密码学【java语言】初探究

文章目录

前言

一 密码学

1.1 古典密码学

1.1.1 替换法

1.1.2 移位法

1.1.3 古典密码破解方式

二 近代密码学

2.1 现代密码学

2.1.1 散列函数

2.1.2 对称密码

2.1.3 非对称密码

二 凯撒加密的实践

2.1 基础知识：ASCII编码

2.2 ascii编码演示

2.3 凯撒加密和解密实践

2.4 频率分析解密法

猜你喜欢

一密码学

二近代密码学

二凯撒加密的实践