轉置密碼解密原理與程式碼實作

– 6 分鐘閱讀

轉置密碼是一種透過重新排列明文順序進行加密的技術。解密過程需要計算轉置格子的行列數、遮蔽格子數量，並根據金鑰還原明文順序。本文提供的 Python 程式碼示範瞭如何計算這些引數，並使用迴圈遍歷密鑰，將字元依序填入明文陣列，最終還原原始訊息。程式碼中包含了邊界條件的處理，例如最後一行可能未填滿的情況。

import math

def decrypt_message(key, message):
    num_of_columns = math.ceil(len(message) / key)
    num_of_rows = key
    num_of_shaded_boxes = (num_of_columns * num_of_rows) - len(message)
    plaintext = [''] * num_of_columns
    col = 0
    row = 0

    for symbol in message:
        plaintext[col] += symbol
        col += 1
        if (col == num_of_columns) or (col == num_of_columns - 1 and row >= num_of_rows - num_of_shaded_boxes):
            col = 0
            row += 1

    return ''.join(plaintext)

def main():
    encrypted_message = 'Cenoonommstmme oo snnio. s s c'
    decryption_key = 8
    decrypted_text = decrypt_message(decryption_key, encrypted_message)
    print(decrypted_text + '|')

if __name__ == '__main__':
    main()

轉置密碼技術詳解

轉置密碼是一種常見的加密技術，其核心在於透過特定的排列方式重新組織明文內容。本文將深入探討轉置密碼的解密原理，並提供完整的程式碼實作與詳細解析。

解密原理與流程

轉置密碼的解密過程涉及多個關鍵步驟：

  1. 計算轉置格子的列數
  2. 設定格子的行數
  3. 計算最後一列的遮蔽格子數量
  4. 初始化明文儲存結構
  5. 按照特定規則重建明文

解密流程圖示

程式碼實作與解析

import math

def decrypt_message(key, message):
 # 計算轉置格子的列數
 num_of_columns = math.ceil(len(message) / key)

 # 設定格子的行數
 num_of_rows = key

 # 計算遮蔽格子數量
 num_of_shaded_boxes = (num_of_columns * num_of_rows) - len(message)

 # 初始化明文儲存結構
 plaintext = [''] * num_of_columns

 # 設定初始索引位置
 col = 0
 row = 0

 # 遍歷加密訊息並重建明文
 for symbol in message:
 plaintext[col] += symbol
 col += 1

 # 到達列末端或遮蔽格子時換行
 if (col == num_of_columns) or (col == num_of_columns - 1 and row >= num_of_rows - num_of_shaded_boxes):
 col = 0
 row += 1

 return ''.join(plaintext)

# 主程式執行
def main():
 encrypted_message = 'Cenoonommstmme oo snnio. s s c'
 decryption_key = 8

 decrypted_text = decrypt_message(decryption_key, encrypted_message)
 print(decrypted_text + '|')

if __name__ == '__main__':
 main()

程式碼關鍵解析

  1. 列數計算：使用math.ceil(len(message) / key)確保列數足夠容納所有字元
  2. 遮蔽格子計算：透過(num_of_columns * num_of_rows) - len(message)確定需要遮蔽的格子數量
  3. 明文重建：使用plaintext[col] += symbol將密鑰字元填充到正確的位置
  4. 換列邏輯：透過布林運算元控制何時重置列索引，確保正確的解密順序

安全性分析與應用

轉置密碼的安全性主要依賴於金鑰的長度和保密性。較長的金鑰可以提供更好的安全性，但也會增加解密的複雜度。在實際應用中，需要在安全性和效能之間取得平衡。

安全性考量要點

  1. 金鑰管理的重要性
  2. 加解密效能的平衡
  3. 針對不同場景選擇適當的金鑰長度
  4. 結合其他加密技術提升整體安全性

效能最佳化策略

在實作轉置密碼解密的過程中，可以透過以下方式進行效能最佳化：

  1. 最佳化數學運算，減少不必要的計算
  2. 改善記憶體使用，有效管理字串和陣列的記憶體組態
  3. 考慮使用平行處理技術加速大規模資料的解密過程

測試程式設計

為了確保轉置密碼實作的正確性，需要設計全面的測試程式。測試程式應包含以下要素：

  1. 自動化測試流程
  2. 隨機訊息和金鑰生成
  3. 加密解密結果比對
  4. 多種邊界條件測試

測試程式範例

import random
import transpositionEncrypt
import transpositionDecrypt

def main():
 random.seed(42)
 for test_num in range(20):
 message = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ' * random.randint(4, 40)
 message_list = list(message)
 random.shuffle(message_list)
 message = ''.join(message_list)

 for key in range(1, len(message)):
 encrypted = transpositionEncrypt.encryptMessage(key, message)
 decrypted = transpositionDecrypt.decryptMessage(key, encrypted)
 if message != decrypted:
 print(f'Test failed: key={key}, message={message}')
 sys.exit()
 print('All tests passed.')

if __name__ == '__main__':
 main()

轉置密碼作為一種基礎的加密技術，雖然在現代密碼學中已不再是主要的安全手段，但其原理和實作仍然具有重要的教育意義和參考價值。透過深入理解轉置密碼的加解密過程，可以為學習更複雜的密碼學技術奠定堅實的基礎。

技術主題：轉置密碼的實作與測試

轉置密碼技術概述

轉置密碼是一種古典加密技術，透過重新排列明文中的字母順序來實作加密。與替代密碼不同，轉置密碼保持明文字母不變，而是改變其順序。轉置密碼的優點在於其實作簡單，但缺點是容易被破解，尤其是在密鑰足夠長時。

轉置密碼的技術背景與重要性

轉置密碼作為一種基礎的加密技術，在現代密碼學的發展中佔有重要地位。雖然其安全性較低，但其思想和實作方法對現代密碼學仍具有參考價值。轉置密碼可以作為更複雜加密演算法的基礎模組，同時也是學習密碼學的入門知識。

轉置密碼的核心原理

轉置密碼的核心原理是透過某種規則重新排列明文中的字母順序。常見的轉置密碼包括列轉置密碼和軌跡密碼等。在實作轉置密碼時，關鍵在於選擇適當的金鑰和排列規則。

程式碼實作

import random
import string

def generate_random_message(length):
    # 生成指定長度的隨機訊息
    letters = string.ascii_lowercase
    message = ''.join(random.choice(letters) for _ in range(length))
    return message

def shuffle_message(message):
    # 對訊息內容進行洗牌
    message_list = list(message)
    random.shuffle(message_list)
    return ''.join(message_list)

def encrypt_transposition(message, key):
    # 轉置密碼加密
    ciphertext = [''] * key
    for col in range(key):
        pointer = col
        while pointer < len(message):
            ciphertext[col] += message[pointer]
            pointer += key
    return ''.join(ciphertext)

def decrypt_transposition(ciphertext, key):
    # 轉置密碼解密
    num_cols = key
    num_rows = (len(ciphertext) + num_cols - 1) // num_cols
    num_empty_cells = num_cols * num_rows - len(ciphertext)
    
    plaintext = [''] * len(ciphertext)
    col = 0
    row = 0
    
    for symbol in ciphertext:
        plaintext[col * num_rows + row] = symbol
        col += 1
        if (col == num_cols) or (col == num_cols - 1 and row >= num_rows - num_empty_cells):
            col = 0
            row += 1
    
    return ''.join(plaintext)

def test_transposition():
    # 設定隨機種子
    random.seed(42)
    
    alphabet_length = len(string.ascii_lowercase)
    for _ in range(20):
        # 生成隨機長度的訊息
        message_length = random.randint(4 * alphabet_length, 40 * alphabet_length)
        message = generate_random_message(message_length)
        message = shuffle_message(message)
        
        # 測試所有可能的金鑰
        for key in range(1, message_length + 1):
            encrypted = encrypt_transposition(message, key)
            decrypted = decrypt_transposition(encrypted, key)
            
            # 檢查解密結果
            if decrypted != message:
                print(f'錯誤：解密結果與原始訊息不一致。金鑰 = {key}')
                return
    print('所有測試透過。')

if __name__ == "__main__":
    test_transposition()

內容解密：

  1. 程式結構：程式主要分為幾個功能模組：generate_random_message 用於生成隨機訊息，shuffle_message 用於對訊息進行洗牌，encrypt_transposition 和 decrypt_transposition 分別實作轉置密碼的加密和解密，最後 test_transposition 函式負責測試轉置密碼的正確性。

  2. 隨機訊息生成：程式使用 random 模組生成隨機訊息，並透過洗牌操作確保訊息內容的隨機性。

  3. 轉置密碼實作：加密過程中，程式根據指定的金鑰將明文分成多列並重新排列。解密過程則根據金鑰重構原始訊息。

  4. 測試機制：程式透過生成多個隨機訊息並測試不同金鑰下的加密和解密結果，確保轉置密碼的正確性。如果解密結果與原始訊息不一致，程式會輸出錯誤訊息。

Plantuml流程圖：測試程式流程

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title 轉置密碼解密原理與程式碼實作

package "安全架構" {
    package "網路安全" {
        component [防火牆] as firewall
        component [WAF] as waf
        component [DDoS 防護] as ddos
    }

    package "身份認證" {
        component [OAuth 2.0] as oauth
        component [JWT Token] as jwt
        component [MFA] as mfa
    }

    package "資料安全" {
        component [加密傳輸 TLS] as tls
        component [資料加密] as encrypt
        component [金鑰管理] as kms
    }

    package "監控審計" {
        component [日誌收集] as log
        component [威脅偵測] as threat
        component [合規審計] as audit
    }
}

firewall --> waf : 過濾流量
waf --> oauth : 驗證身份
oauth --> jwt : 簽發憑證
jwt --> tls : 加密傳輸
tls --> encrypt : 資料保護
log --> threat : 異常分析
threat --> audit : 報告生成

@enduml

圖表剖析：

此流程圖展示了轉置密碼測試程式的執行流程。程式首先生成隨機訊息並對其進行洗牌，接著進入測試迴圈。在每次迴圈中，程式執行加密和解密操作，並檢查解密結果是否正確。如果解密結果正確，程式繼續下一次測試；如果解密結果錯誤，程式輸出錯誤訊息並終止。所有測試透過後，程式輸出測試透過訊息。

從技術架構視角來看，轉置密碼的核心價值在於其簡潔的演算法和易於理解的實作方式。本文深入剖析了轉置密碼的解密原理、程式碼實作以及安全性分析，並提供了詳盡的流程圖和程式碼解析，方便讀者理解其核心機制。然而，轉置密碼的安全性較低，容易受到已知明文攻擊和頻率分析等破解方法的威脅。雖然效能最佳化策略可以提升加解密速度，但無法從根本上解決其安全性的問題。轉置密碼本身難以獨立應用於安全性要求較高的場景，但其作為經典的密碼學技術，可以作為學習更複雜加密演算法的基礎，並在教學和研究領域持續發揮價值。對於需要更高安全性的應用，建議結合其他更強大的加密技術，例如 AES 或 RSA 等，以構建更安全的加密系統。玄貓認為，理解轉置密碼的原理和限制，對於學習密碼學和提升安全意識至關重要。

玄貓 BlackCat

玄貓 BlackCat

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。