维吉尼亚密码原理详解及算法实现

【维吉尼亚密码编写】

1. Equipment

（1） operating system version ：WIN 10

（2） CPU instruction set: x 64

（3） software ：Visual Studio 2019

2. process

• Problem background analysis

Playfair密码编写(或者采用维吉尼亚密码编写，输入明文长度是任意的)

明文:量子通信保密技术的诞生和快速发展主要取决于以下两个因素: a、经典保密通信面临着三个难以彻底解决的关键问题，即密钥协商、身份识别和窃听检测，这些问题的有效解决需要新技术。b、在对新技术的探索中，人们发现了量子内在的安全特性及其可能的应用。
请写出你的密码机输出结果。

​ 可以采用Playfair密码或者Vigenère密码，这里我采用的是Vigenère cipher完成信息加密。

​ 在Vigenere密码中，用户钥是一个有限序列，我们可以通过周期性（周期为d）将k扩展为无限序列，其中Ki=K（i mod d），从而得到工作钥。如果用Φ和θ分别表示密文和明文字母，则Vigenere密码的变换公式为：Φ≡（θ+ki）（mod n）该密码体制有一个参数n。

​ 在加解密时，同样把英文字母映射为0～25的数字再进行运算，并按一组进行变换。明文空间、密文空间及密钥空间都是长度为n的英文字母串的集合。对应的密码表如下：

• Solution

根据上述的原理，采用C++实现如下：

code：

#include <iostream>
#include <string>
#include <string.h>
#pragma warning(disable:4996)
/*
 * @Author:timerring
 * @Date: 2021-10-20 14:05:49
 * @LastEditTime: 2021-10-22 08:11:15
 * @FilePath:c:\Users\timerring\Vigenere.cpp
 */
using namespace std;
const int N = 26;
//定义二维密码表
char v[N][N] = { {'A','B','C','D','E','F','G','H','I','J','K','L','M','N','O','P','Q','R','S','T','U','V','W','X','Y','Z'} };
int number(char x)
{//把行号字母对应到数字空间上
    char y = 'a';
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        if (x == (y + i)) return i;
    }
}
void encryption(string msg, string key)
{//定义加密过程
    cout << "plaintext:";
    cin >> msg;
    cout << "key:";
    cin >> key;
    int mlen, klen;
    //获取明文和密钥的长度
    mlen = msg.length();
    klen = key.length();
    char* p, * q, * t;//明文，初始密钥，密钥串
    //把string换成char
    p = new char[msg.length() + 1];
    //用strcpy函数进行对应的复制
    strcpy(p, msg.c_str());
    q = new char[key.length() + 1];
    strcpy(q, key.c_str());
    t = new char[msg.length() + 1];
    int j = 0;
    for (int i = 0; i < mlen; i++)
    {
        t[i] = q[j];
        j++;
        j = j % klen;
    }
    cout << "ciphertext:";
    for (int i = 0; i < mlen; i++)
        //按位输出密文字符
        cout << v[number(t[i])][number(p[i])];
    cout << endl;
}
void decryption(string c, string key)
{//定义解密过程
    cout << "ciphertext:";
    cin >> c;
    cout << "key:";
    cin >> key;
    int clen, klen;
    clen = c.length();
    klen = key.length();
    char* p, * q, * t;//密文，初始密钥，密钥串
    //将string换成char
    p = new char[c.length() + 1];
    //用strcpy函数进行对应的复制
    strcpy(p, c.c_str());
    q = new char[key.length() + 1];
    strcpy(q, key.c_str());
    t = new char[c.length() + 1];
    int j = 0;
    for (int i = 0; i < clen; i++)
    {
        t[i] = q[j];
        j++;
        j = j % klen;
    }//生成密钥
    cout << "plaintext:";
    for (int i = 0; i < clen; i++)
        for (int j = 0; j < N; j++)
            if (v[number(t[i])][j] == p[i]) { cout << char(j + 97); break; }
    cout << endl;
}
int main()
{
    for (int i = 1; i < N; i++)
    {
        for (int j = 0; j < N; j++)
        {
            v[i][j] = v[i - 1][(j + 1) % N];
        }//将方阵进行初始化
    }
    cout << "You are welcome to use Vigenere in SDU\n" << endl;
    cout << "Please enter the corresponding operation number:" << endl;
    int flag;
    do {
        cout << "1.Encrypt\n2.Decrypt\n";
        cin >> flag;
        string m, key;
        if (flag == 1)encryption(m, key);
        else if (flag == 2) decryption(m, key);
        else
            break;
    } while (flag != 3);
    return 0;
}

Test sample：

由Vigenere密码的基本原理可知，它未能完成中文密码的编写，因此我们采用将明文翻译为英语，再对其进行加密，样例中取密钥为sduqingdao，密码机的输出如下：

3. summary and harvest

​ 我对于Vigenère密码的理解加深了，Vigenère密码通过使用多个字母代换表，达到同一个字母在不同位置会被替换成不同密文的效果，方法是用一个密钥选择使用哪个字母代换表，依次使用多个字母表，当密钥的字母使用结束的时候再从头排列。

​ 这样的密码比单表代换安全系数略高，可以通过加长密钥的方式确保相对的安全性。通过简单的密码分析破译的难度略大，但是如果密文足够长，其间会有大量重复的密文序列出现。通过计算重复密文序列间距的公因子，分析者可能猜出密钥词的长度。同时通过查阅文献找到了它的破译方法 [1] ，可以使用卡西斯基试验和弗里德曼试验来得到密钥的长度，一旦能够确定密钥的长度，密文就能重新写成多列，列数与密钥长度对应。这样每一列就是一个凯撒密码，而此密码的密钥则对应于Vigenère密码密钥的相应字母。使用与破译凯撒密码类似的方法，就能将密文破译。

​同时我也遇到了一些困难，在使用strcpy函数进行字符复制的时候，编译器报错， ‘strcpy’: This function or variable may be unsafe. Consider using strcpy_s instead. To disable deprecation, use _CRT_SECURE_NO_WARNINGS. See online help for details，通过查询，得知是因为strcpy的安全性不高，可以采用两种方法解决：1.使用strcpy_s函数 2.使用#pragma预处理命令禁止警告

4.Reference

[1]杨振,杨帆,夏山,高钏淏,万贺.一种基于卡西斯基试验的密钥破译算法分析[J].网络安全技术与应用,2020(10):52-55.

初学信息安全，可能存在错误之处，还请各位不吝赐教。

受于文本原因，本文相关算法实现工程无法展示出来，现已将资源上传，可自行点击下方链接下载。

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