置換加密程式自動化測試實作

Python 的 random 模組提供偽隨機數生成，搭配 random.seed() 可固定隨機種子，確保測試一致性。這對於測試加密演算法至關重要，因為我們需要可重複的測試流程。測試程式首先生成隨機訊息，再利用所有可能的金鑰進行加密和解密，最後比對解密結果與原始訊息，驗證演算法的正確性。理解 Python 中變數與串列參考的差異，才能正確操作串列，避免非預期的結果。使用 copy.deepcopy() 或重新建立串列，可以確保操作不會影響原始串列。transpositionTest.py 程式碼範例展示瞭如何結合這些技巧，建構一個完整的置換加密演算法測試程式。

第10章 - 測試我們的程式

在前一章中，我們成功地實作了換位加密和解密程式。為了驗證這些程式的正確性，我們需要進行大量的測試。手動測試這些程式將會非常耗時，因此我們需要編寫一個程式來自動化這個過程。

自動化測試的原理

自動化測試的基本原理是生成隨機的訊息和金鑰，使用 encryptMessage() 函式加密訊息，然後使用 decryptMessage() 函式解密，最後檢查解密後的訊息是否與原始訊息相同。如果所有測試都透過，那麼我們就可以確定我們的程式是正確的。

換位加密測試程式的原始碼

# 換位加密測試
# http://inventwithpython.com/hacking (BSD Licensed)

import random, sys, transpositionEncrypt, transpositionDecrypt

def main():
    random.seed(42)  # 設定隨機種子為固定值

    for i in range(20):  # 執行20次測試
        # 生成隨機訊息進行測試
        message = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ' * random.randint(4, 40)

        # 將訊息字串轉換為列表以進行洗牌
        message = list(message)
        random.shuffle(message)
        message = ''.join(message)  # 將列表轉換回字串

        print('測試 #%s: "%s..."' % (i+1, message[:50]))

        # 對每個訊息檢查所有可能的金鑰
        for key in range(1, len(message)):
            encrypted = transpositionEncrypt.encryptMessage(key, message)
            decrypted = transpositionDecrypt.decryptMessage(key, encrypted)

            # 如果解密結果與原始訊息不符，顯示錯誤訊息並離開
            if message != decrypted:
                print('金鑰 %s 和訊息 %s 不符.' % (key, message))
                print(decrypted)
                sys.exit()

    print('換位加密測試透過.')

# 如果 transpositionTest.py 被執行（而不是被匯入為模組），呼叫 main() 函式
if __name__ == '__main__':
    main()

程式碼解析：

random.seed(42)：設定隨機種子為固定值，以確保每次執行的結果一致，便於除錯和驗證。
message = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ' * random.randint(4, 40)：生成一個隨機長度的訊息，長度介於4到40倍的 ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ 之間。
random.shuffle(message)：將訊息字元順序打亂，生成隨機的訊息內容。
內層迴圈：對每個生成的訊息，使用不同的金鑰進行加密和解密，並檢查結果是否正確。

測試結果

執行上述程式後，輸出結果如下所示：

測試 #1: "KQDXSFQDBPMMRGXFKCGIQUGWFFLAJIJKFJGSYOSAWGYBGUNTQX..."
測試 #2: "IDDXEEWUMWUJPJSZFJSGAOMFIOWWEYANRXISCJKXZRHMRNCFYW..."
...
測試 #20: "LNKGKSYIPHMCDVKDLNDVFCIFGEWQGUJYJICUYIVXARMUCBNUWM..."
換位加密測試透過.

結果分析：

程式自動生成了20個隨機訊息，並對每個訊息使用不同的金鑰進行了加密和解密測試。
如果所有測試都透過，表示我們的換位加密和解密實作是正確的。

本章重點：

自動化測試的基本原理和實作方法。
使用 random 模組生成隨機輸入進行測試。
透過比較加密和解密結果來驗證程式正確性。

透過這種方式，我們可以確保我們的程式在各種情況下都能正確運作，為進一步的開發和應用奠定堅實的基礎。

測試程式的開發與偽隨機數的應用

在開發加密與解密程式後，我們需要一個測試程式來驗證這些程式的正確性。transpositionTest.py 就是這樣一個程式，它透過匯入 transpositionEncrypt.py 和 transpositionDecrypt.py 作為模組，呼叫其中的 encryptMessage() 和 decryptMessage() 函式來進行測試。

偽隨機數與 `random.seed()` 函式

Python 的 random.randint() 函式產生的數字並不是真正隨機的，而是透過偽隨機數生成器演算法產生的可預測數字。這些數字看起來是隨機的，但實際上是可預測的。偽隨機數生成器演算法從一個初始數字（種子）開始，所有由此產生的隨機數都是可預測的。

import random
random.seed(42)  # 設定隨機種子為固定值
for i in range(5):
    print(random.randint(1, 10))

當我們將隨機種子設定為 42 時，每次執行程式產生的前五個「隨機」數字都是相同的。這對於測試程式非常有用，因為它確保每次執行測試時使用相同的偽隨機訊息和金鑰。

為何使用偽隨機數？

雖然使用偽隨機數在加密軟體中是一個常見的安全漏洞，因為它們可以被預測，但對於測試程式的目的來說，這是可接受的。真正的隨機數可以使用 os.urandom() 函式生成，更多資訊可以參考 http://invpy.com/random。

使用 `random.randint()` 生成測試訊息

for i in range(20):  # 執行 20 次測試
    # 生成隨機訊息進行測試
    message = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ' * random.randint(4, 40)

這段程式碼在迴圈中執行多次測試，每次測試生成一個不同長度的隨機訊息。random.randint(4, 40) 生成一個介於 4 和 40 之間的隨機整數，用於決定訊息的重複次數，從而產生不同長度的訊息。

變數與列表參考

技術上來說，變數儲存的不是列表值，而是對列表值的參考。在大多數情況下，這個區別並不重要，但在將帶有列表參考的變數複製到另一個變數時，這個區別就變得重要了。

>>> import random
>>> random.randint(1, 20)
20
>>> random.randint(1, 20)
18

透過使用偽隨機數和控制測試次數，我們可以確保我們的加密和解密程式在多種情況下都能正確運作。

程式碼範例與解析

transpositionTest.py 程式碼片段

import random, sys, transpositionEncrypt, transpositionDecrypt

def main():
    random.seed(42)  # 設定隨機種子
    for i in range(20):  # 執行 20 次測試
        message = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ' * random.randint(4, 40)
        # ...（其他程式碼）

內容解密：

匯入必要的模組：程式開始時匯入了 random、sys、transpositionEncrypt 和 transpositionDecrypt 模組，分別用於生成隨機數、系統相關操作、以及加密和解密功能。
random.seed(42) 的作用：透過設定隨機種子為固定值 42，確保每次執行程式時生成的偽隨機數序列是相同的，這對於重現測試結果非常重要。
迴圈執行測試：使用 for 迴圈執行 20 次測試，每次生成一個不同長度的隨機訊息，以全面驗證程式的正確性。
生成隨機訊息：利用 random.randint(4, 40) 生成一個隨機整數，用於決定訊息的重複次數，從而產生不同長度的測試訊息。

透過這種方式，我們可以系統性地測試我們的加密和解密程式，確保它們在各種情況下都能正確運作。

Python 中的變數與串列參考

在 Python 中，變數就像是用來儲存值的容器。當我們將一個值賦給一個變數時，例如 spam = 42，然後再將 spam 的值賦給另一個變數 cheese，即 cheese = spam，此時修改 spam 的值並不會影響 cheese 的值。這是因為 spam 和 cheese 是兩個不同的變數，它們各自儲存自己的值。

串列參考的特殊性

然而，當我們處理串列（list）時，情況就不同了。當我們使用指定陳述式 = 將一個串列賦給一個變數時，我們實際上是將串列的參考（reference）賦給了這個變數。串列參考是一個指向串列的值。

>>> spam = [0, 1, 2, 3, 4, 5]
>>> cheese = spam
>>> cheese[1] = 'Hello!'
>>> spam
[0, 'Hello!', 2, 3, 4, 5]
>>> cheese
[0, 'Hello!', 2, 3, 4, 5]

內容解密：

spam = [0, 1, 2, 3, 4, 5]：建立了一個串列 [0, 1, 2, 3, 4, 5]，並將其參考賦給 spam。
cheese = spam：將 spam 中的串列參考複製給 cheese，此時 spam 和 cheese 都指向同一個串列。
cheese[1] = 'Hello!'：修改了 cheese 所指向的串列的第二個元素，因為 spam 和 cheese 指向同一個串列，所以 spam 所指向的串列也被修改了。

如何建立獨立的串列

如果我們希望 spam 和 cheese 儲存兩個不同的串列，我們需要建立兩個不同的串列，而不是複製參考：

>>> spam = [0, 1, 2, 3, 4, 5]
>>> cheese = [0, 1, 2, 3, 4, 5]
>>> cheese[1] = 'Hello!'
>>> spam
[0, 1, 2, 3, 4, 5]
>>> cheese
[0, 'Hello!', 2, 3, 4, 5]

內容解密：

spam = [0, 1, 2, 3, 4, 5] 和 cheese = [0, 1, 2, 3, 4, 5]：建立了兩個內容相同但獨立的串列，並將它們的參考分別賦給 spam 和 cheese。
cheese[1] = 'Hello!'：修改了 cheese 所指向的串列，但並未影響 spam 所指向的串列。

使用 `copy.deepcopy()` 複製串列

另一種方法是使用 copy.deepcopy() 函式來建立一個串列的深層複製：

>>> import copy
>>> spam = [0, 1, 2, 3, 4, 5]
>>> cheese = copy.deepcopy(spam)
>>> cheese[1] = 'Hello!'
>>> spam
[0, 1, 2, 3, 4, 5]
>>> cheese
[0, 'Hello!', 2, 3, 4, 5]

內容解密：

import copy：匯入了 copy 模組，用於建立物件的複製。
cheese = copy.deepcopy(spam)：建立了 spam 所指向的串列的一個深層複製，並將其參考賦給 cheese。這樣，spam 和 cheese 就指向了兩個完全獨立的串列。
cheese[1] = 'Hello!'：修改了 cheese 所指向的串列，但並未影響 spam 所指向的串列。

使用 `random.shuffle()` 打亂串列

random.shuffle() 是另一個有用的函式，可以用來隨機打亂一個串列中的元素順序：

>>> import random
>>> eggs = list('Hello')
>>> eggs
['H', 'e', 'l', 'l', 'o']
>>> random.shuffle(eggs)
>>> eggs
['o', 'l', 'e', 'H', 'l']

內容解密：

import random：匯入了 random 模組，用於生成隨機數。
eggs = list('Hello')：將字串 'Hello'轉換為一個串列，並賦給 eggs。
random.shuffle(eggs)：隨機打亂了 eggs 所指向的串列中的元素順序。注意，random.shuffle() 直接修改原串列，而不是傳回一個新的打亂後的串列。

測試程式的開發與驗證

在開發加密與解密程式後，我們需要設計一個測試程式來驗證這些程式的正確性。本章節將詳細介紹如何開發一個測試程式來檢查我們的置換加密（transposition cipher）實作是否正確。

字串處理與隨機化

在測試程式中，我們需要能夠處理字串並隨機打亂其內容。Python 提供了多種方法來達成此目的：

使用 list() 函式將字串轉換為列表。
利用 random.shuffle() 函式來打亂列表中的元素順序。
藉助 ''.join() 方法將列表轉換回字串。

import random

# 原始字串
spam = 'Hello world!'

# 將字串轉換為列表並打亂
spam = list(spam)
random.shuffle(spam)
spam = ''.join(spam)

print(spam)

內容解密：

字串轉列表：list(spam) 將字串 spam 轉換為字元列表，使我們能夠對其進行修改。
打亂列表元素：random.shuffle(spam) 對列表中的字元進行隨機排序。
列表轉字串：''.join(spam) 將打亂後的字元列表合併成一個新的字串。

測試程式的邏輯

我們的測試程式 transpositionTest.py 將對多個不同的訊息進行加密和解密測試，以確保我們的置換加密實作正確無誤。

主要步驟：

生成測試訊息：使用 random.shuffle() 對原始訊息進行隨機打亂，以產生多個不同的測試訊息。
遍歷所有可能的金鑰：對每個測試訊息，使用從 1 到訊息長度之間的所有整數金鑰進行加密和解密。
驗證解密結果：比較解密後的訊息與原始訊息是否一致，若不一致則輸出錯誤訊息並終止程式。

for i in range(20):
    # 生成隨機訊息
    message = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ' * random.randint(4, 40)
    message = list(message)
    random.shuffle(message)
    message = ''.join(message)

    # 遍歷所有可能的金鑰進行加密和解密
    for key in range(1, len(message)):
        encrypted = transpositionEncrypt.encryptMessage(key, message)
        decrypted = transpositionDecrypt.decryptMessage(key, encrypted)

        # 驗證解密結果
        if message != decrypted:
            print('錯誤：金鑰 %s，訊息 %s' % (key, message))
            print('解密結果：%s' % decrypted)
            sys.exit()

print('置換加密測試透過。')

內容解密：

迴圈測試：程式執行多輪測試，每輪生成一個隨機的測試訊息。
金鑰遍歷：對每個測試訊息，程式遍歷所有可能的金鑰進行加密和解密操作。
結果驗證：若解密結果與原始訊息不一致，程式輸出錯誤訊息並終止。
成功測試：若所有測試均透過，程式輸出「置換加密測試透過。」

sys.exit() 函式的應用

在測試過程中，若發現錯誤，我們使用 sys.exit() 函式立即終止程式的執行，以避免繼續執行可能導致更多錯誤或混淆的程式碼。

if message != decrypted:
    print('Mismatch with key %s and message %s.' % (key, message))
    print(decrypted)
    sys.exit()

內容解密：

錯誤檢測：檢查解密結果是否與原始訊息一致。
錯誤處理：若不一致，輸出相關的錯誤資訊。
程式終止：使用 sys.exit() 立即終止程式執行。

模組匯入與主函式呼叫

為了使 transpositionTest.py 能夠作為獨立的測試工具或被其他程式匯入，我們使用了一個特殊的變數 __name__ 來控制主函式的呼叫。

if __name__ == '__main__':
    main()

內容解密：

__name__ 變數：當直接執行 transpositionTest.py 時，__name__ 被設為 '__main__'。
主函式呼叫：在這種情況下，程式呼叫 main() 函式開始執行測試。
模組匯入：若 transpositionTest.py 被其他程式匯入，main() 不會被自動呼叫，避免了不必要的測試執行。

測試程式的驗證

為了確保測試程式本身的正確性，我們可以故意在加密或解密函式中引入錯誤，然後執行測試程式。若測試程式未能檢測到這些錯誤，則表明測試程式存在缺陷，需要進一步改進。

本章節透過介紹置換加密測試程式的開發過程，展示瞭如何設計和驗證一個有效的測試工具，以確保加密和解密功能的正確性。

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。

置換加密程式自動化測試實作

第10章 - 測試我們的程式

自動化測試的原理

換位加密測試程式的原始碼

程式碼解析：

測試結果

結果分析：

本章重點：

測試程式的開發與偽隨機數的應用

偽隨機數與 random.seed() 函式

為何使用偽隨機數？

使用 random.randint() 生成測試訊息

變數與列表參考

程式碼範例與解析

transpositionTest.py 程式碼片段

內容解密：

Python 中的變數與串列參考

串列參考的特殊性

內容解密：

如何建立獨立的串列

內容解密：

使用 copy.deepcopy() 複製串列

內容解密：

使用 random.shuffle() 打亂串列

內容解密：

測試程式的開發與驗證

字串處理與隨機化

內容解密：

測試程式的邏輯

主要步驟：

內容解密：

sys.exit() 函式的應用

內容解密：

模組匯入與主函式呼叫

內容解密：

測試程式的驗證

玄貓 BlackCat

偽隨機數與 `random.seed()` 函式

使用 `random.randint()` 生成測試訊息

使用 `copy.deepcopy()` 複製串列

使用 `random.shuffle()` 打亂串列