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密码学【java语言】初探究

article 2024/11/15 11:09:36

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

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。