加密与安全_ 凯撒密码

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PKI - 02 对称与非对称密钥算法

概述

凯撒密码是一种简单的替换加密技术，也称为移位密码。它是古典密码学中最早的密码之一，得名于古罗马军队领袖凯撒·尤利乌斯（Julius Caesar），据说他曾经使用过这种加密方法。

恺撒密码，也称为恺撒加密或恺撒变换，是一种最古老且最简单的密码之一。它的原理很简单，就是通过将明文中的每个字母按照字母表顺序向后（或向前）移动固定的位置来进行加密。这个固定的位置就是密钥，通常用一个整数来表示，称为偏移量。

例如，当偏移量为3时，明文中的字母A将被加密为D，B被加密为E，以此类推。如果偏移量是负数，则向前移动相应的位置。这种方法相当于在字母表上进行循环移位。

加密过程：

1. 确定偏移量（密钥）。
2. 对于要加密的明文中的每个字母，按照偏移量进行移位。
3. 输出密文。

解密过程：

1. 知道加密时使用的偏移量。
2. 对于密文中的每个字母，按照偏移量的负值进行移位。
3. 输出明文。

示例：

假设明文为：“HELLO”，偏移量为3。

• 加密：H + 3 = K，E + 3 = H，L + 3 = O，L + 3 = O，O + 3 = R
• 密文为：“KHOOR”

安全性：

恺撒密码的安全性非常低，因为它只有26种可能的密钥（偏移量），攻击者可以很容易地通过穷举法来破解。因此，它更多地被用于教学和娱乐，而不是实际的安全通信中。

应用：

恺撒密码虽然安全性低，但在教学、编程练习以及简单的加密需求中仍有一定的应用价值。

Code 实现 凯撒密码

publicclassKaiserDemo{publicstaticvoidmain(String[] args){// 定义原文String input ="Hello Artisan";// 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
     */publicstaticStringdecrypt(String s,int key){char[] chars = s.toCharArray();StringBuilder sb =newStringBuilder();for(char aChar : chars){int b = aChar;// 偏移数据
            b -= key;char newb =(char) b;
            sb.append(newb);}return sb.toString();}/**
     * 加密
     *
     * @param input 原文
     * @return
     */publicstaticStringencrypt(String input,int key){// 抽取快捷键 ctrl + alt + m// 把字符串变成字节数组char[] chars = input.toCharArray();StringBuilder sb =newStringBuilder();for(char aChar : chars){int b = aChar;// 往右边移动3位
            b = b + key;char newb =(char) b;
            sb.append(newb);}return sb.toString();}}

字母频率分析攻击

字母频率分析是一种破译凯撒密码的常见方法。它利用了自然语言中字母的分布特征，即某些字母在文本中出现的频率比其他字母更高。

步骤：

1. 收集密文。
2. 统计密文中每个字母出现的次数，得到各个字母的频率。
3. 将频率从高到低排序。
4. 将排序后的频率与自然语言中字母的频率进行比较，找到最可能对应的字母。
5. 推断偏移量，并进行解密。

举例：

假设有一段密文为：“WKLQJ LV NHHS”。

1. 统计各个字母出现的次数：- W: 1次- K: 1次- L: 1次- Q: 1次- J: 1次- V: 1次- N: 1次- H: 2次- S: 1次
2. 按频率排序：H > W, K, L, Q, J, V, N, S
3. 与自然语言中英文字母的频率进行比较，发现"H"的频率较高，可能对应原文中的"E"。
4. 推断偏移量为3。
5. 解密密文：“WKLQJ LV NHHS” -> “THINK IS MEET”

安全性：
凯撒密码的安全性很低，因为它只有26种可能的密钥（偏移量），而且容易受到字母频率分析等简单攻击的破解。

Code解密凯撒密码

importjava.util.HashMap;importjava.util.Map;/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */publicclassCaesarCipherBreaker{publicstaticvoidmain(String[] args){String ciphertext ="Khoor#Duwlvdq";crackCaesarCipher(ciphertext);}// 字母频率分析破解凯撒密码publicstaticvoidcrackCaesarCipher(String ciphertext){// 统计密文中每个字母出现的次数Map<Character,Integer> frequencies =newHashMap<>();for(char c : ciphertext.toCharArray()){if(Character.isLetter(c)){char uppercaseChar =Character.toUpperCase(c);
                frequencies.put(uppercaseChar, frequencies.getOrDefault(uppercaseChar,0)+1);}}// 将统计结果按出现次数从高到低排序
        frequencies.entrySet().stream().sorted((e1, e2)->Integer.compare(e2.getValue(), e1.getValue())).forEach(entry ->{char letter = entry.getKey();int frequency = entry.getValue();System.out.println(letter +": "+ frequency);int offset = letter -'E';if(offset <0){
                        offset +=26;}String decryptedText =decryptCaesarCipher(ciphertext, offset);System.out.println("Decrypted Text with offset "+ offset +": "+ decryptedText);});}// 凯撒密码解密publicstaticStringdecryptCaesarCipher(String ciphertext,int offset){StringBuilder plaintext =newStringBuilder();for(char c : ciphertext.toCharArray()){if(Character.isLetter(c)){char baseChar =Character.isLowerCase(c)?'a':'A';int index =(c - baseChar - offset +26)%26;
                plaintext.append((char)(baseChar + index));}else{
                plaintext.append(c);}}return plaintext.toString();}}

我们对每个出现频率的字母都尝试解密文本，并输出每个偏移量对应的解密文本

发现我们可以读懂，解密成功

小结

尽管凯撒密码很容易理解和实现，但由于它的简单性，它并不安全，容易受到字母频率分析等攻击。因此，现代加密通常不再使用凯撒密码，而是使用更加复杂的加密算法来保护数据的安全。