（2）Playfair密码算法的Java实现

àì夳堔傛蜴生んèń 2022-08-21 00:29 141阅读 0赞

采用多字母一起加密最著名的密码体制是Playfair密码，其将明文中的双字母组合作为一个单元对待，并将这些单元转换为密文的双字母组合。  
编写密文的步骤:  
1.选取一个英文字作密钥。除去重复出现的字母。将密玥的字母逐个加入5×5的矩阵内， 剩下的空间将未加入的英文字母依a-z的顺序加入。（将I和J视作同一字。JOY -> IOY）  
2.将要加密的讯息分成两个一组。若组内的字母相同，将 X 加到该组的第一个字母后， 重新分组。若剩下一个字，也加入 X 字。（ee st um p->EX ES TU MP）。  
3.在每组中，找出两个字母在矩阵中的地方。  
4.若两个字母同列，取这两个字母下方的字母 （若字母在最下方则取最上方的字母，PB->IK，BT->KP）。  
5.若两个字母同行(不需要相邻)，取这两个字母右方的字母（若字母在最右方则取最左方的字母）。  
6.若两个字母不同行也不同列，在矩阵中找出另外两个字母， 使这四个字母成为一个长方形的四个角（HI->BM）。 即可以明文对中的每一个字母将由与其同行，且与另一个字母同列的字母代替。  
7.新找到的两个字母就是原本的两个字母加密的结果。

比如，使用playfair作为密钥，将session按照Playfair密码体制加密的过程：  
(1)将session分成两个一组，组内字母相同的，将x加到该组的第一个字母后，重新分组：se sx si on  
(2)使用playfair作为密钥，建立5\*5矩阵：  
P L A Y F  
I R B C D  
E G H K M  
N O Q S T  
U V W X Z  
(3)根据Playfair算法规则，SE–>NK,SX–>XY,SI–>NC,ON–>QO  
(4)所以使用playfair作为密钥，把session按照Playfair密码体制加密后的密文是NK XY NC QO.

根据playfair算法编写相应的Java程序：

import java.util.ArrayList;
    import java.util.List;
    public class Playfair { 
    
        /** * 处理明文，重复字母中间插X，长度非偶数添加X * @param P 密文 * @return 处理后的明文 */
        public static String dealP(String P){
            P=P.toUpperCase();// 将明文转换成大写
            P=P.replaceAll("[^A-Z]", "");//去除所有非字母的字符 
            StringBuilder sb=new StringBuilder(P);     
            for(int i=1;i<sb.length();i=i+2){
                //一对明文字母如果是重复的则在这对明文字母之间插入一个填充字符
                if(sb.charAt(i)==sb.charAt(i-1)){
                    sb.insert(i,'X');               
                }
            } 
            //如果经过处理后的明文长度非偶数，则在后面加上字母x
            if(sb.length()%2!=0){
                sb.append('X');
            }
            String p=sb.toString();
            System.out.println("处理后的明文："+p);
            return p;
        }
    
        /** * 处理密钥，将J转换成I，除去重复字母 * @param K 密钥 * @return 修改后的密钥List<Character> */
        public static List<Character> dealK(String K){
            K=K.toUpperCase();// 将密钥转换成大写
            K=K.replaceAll("[^A-Z]", "");//去除所有非字母的字符 
            K=K.replaceAll("J","I");//将J转换成I
            List<Character> list=new ArrayList<Character>();
            char[] ch=K.toCharArray();
            int len=ch.length;
            for(int i=0;i<len;i++){
                //除去重复出现的字母
                if(!list.contains(ch[i])){
                    list.add(ch[i]);
                }
            }
            System.out.println("处理后的密钥："+list);
            return list;
        }
    
        /** * 将密玥的字母逐个加入5×5的矩阵内，剩下的空间将未加入的英文字母 * 依a-z的顺序加入。（将I和J视作同一字。JOY -> IOY） * @param K 密钥 * @return 5*5矩阵 */
        public static char[][] matrix(String K){
            List<Character> key=dealK(K);
            //添加在K中出现的字母
            List<Character> list=new ArrayList<Character>(key);
            //添加按字母表顺序排序的剩余的字母
            for(char ch='A';ch<='Z';ch++){
                if(ch!='J'&&!list.contains(ch)){
                    list.add(ch);
                }
            }
            char[][] matrix=new char[5][5];
            int count=0;
            for(int i=0;i<5;i++){
                for(int j=0;j<5;j++){
                    matrix[i][j]=list.get(count++);
                }
            }
            System.out.println("根据密钥'"+K+"'构建的矩阵：");
            showMatrix(matrix);
            return matrix;
        } 
    
        /** * 打印矩阵 * @param matrix 矩阵 */
        public static void showMatrix(char[][] matrix){
            for(int i=0;i<matrix.length;i++){
                for(int j=0;j<matrix[i].length;j++){
                    System.out.print(matrix[i][j]+" ");
                }
                System.out.println();
            }
        }
    
        /** * 根据playfair算法对明文对进行加密 * @param matrix 矩阵 * @param ch1 字母1 * @param ch2 字母2 * @return 密文对 */
        public static String encrypt(char[][] matrix,char ch1,char ch2){     
            //获取明文对在矩阵中的位置
            int r1=0,c1=0,r2=0,c2=0;
            for(int i=0;i<matrix.length;i++){
                for(int j=0;j<matrix[i].length;j++){
                    if(ch1==matrix[i][j]){
                        r1=i;
                        c1=j;
                    }
                    if(ch2==matrix[i][j]){
                        r2=i;
                        c2=j;
                    }
                }
            }
            StringBuilder sb=new StringBuilder();
            //进行规制匹配，得到密文对 
            if(r1==r2){
                //明文字母对的两个字母在同一行，则截取右边的字母
                sb.append(matrix[r1][(c1+1)%5]);
                sb.append(matrix[r1][(c2+1)%5]);
            }else if(c1==c2){
                //明文字母对的两个字母在同一列，则截取下方的字母
                sb.append(matrix[(r1+1)%5][c1]);
                sb.append(matrix[(r2+1)%5][c1]);
            }else{
                //明文字母所形成的矩形对角线上的两个字母，任意选择两种方向 
                //明文对中的每一个字母将由与其同行，且与另一个字母同列的字母代替
                sb.append(matrix[r1][c2]);
                sb.append(matrix[r2][c1]);
                //sb.append(matrix[r2][c1]);
                //sb.append(matrix[r1][c2]);
            }
            sb.append(' ');
            return sb.toString();
        }
    
        /** * 对明文进行加密 * @param P 明文 * @param K 密钥 * @return 密文 */
        public static String encrypt(String P,String K){       
            char[] ch=dealP(P).toCharArray();       
            char[][] matrix=matrix(K);
            StringBuilder sb=new StringBuilder();
            for(int i=0;i<ch.length;i=i+2){
                sb.append(encrypt(matrix,ch[i],ch[i+1]));
            }
            return sb.toString();
        }
    
        /** * 根据playfair算法对密文对进行解密 * @param matrix * @param ch1 字母1 * @param ch2 字母2 * @return 明文对 */
        public static String decrypt(char[][] matrix,char ch1,char ch2){     
            //获取密文对在矩阵中的位置
            int r1=0,c1=0,r2=0,c2=0;
            for(int i=0;i<matrix.length;i++){
                for(int j=0;j<matrix[i].length;j++){
                    if(ch1==matrix[i][j]){
                        r1=i;
                        c1=j;
                    }
                    if(ch2==matrix[i][j]){
                        r2=i;
                        c2=j;
                    }
                }
            }
            StringBuilder sb=new StringBuilder();
            //进行规制匹配，得到明文对 
            if(r1==r2){
                //密文字母对的两个字母在同一行，则截取左边的字母
                sb.append(matrix[r1][(c1-1+5)%5]);
                sb.append(matrix[r1][(c2-1+5)%5]);
            }else if(c1==c2){
                //密文字母对的两个字母在同一列，则截取上方的字母
                sb.append(matrix[(r1-1+5)%5][c1]);
                sb.append(matrix[(r2-1+5)%5][c1]);
            }else{
                //密文字母所形成的矩形对角线上的两个字母，任意选择两种方向 
                sb.append(matrix[r1][c2]);
                sb.append(matrix[r2][c1]);
                //sb.append(matrix[r2][c1]);
                //sb.append(matrix[r1][c2]);
            }
            sb.append(' ');
            return sb.toString();
        }
    
        /** * 对密文进行解密 * @param C 密文 * @param K 密钥 * @return 明文 */
        public static String decrypt(String C,String K){
            C=C.toUpperCase();
            C=C.replaceAll("[^A-Z]", "");//去除所有非字母的字符
            char[] ch=C.toCharArray();
            char[][] matrix=matrix(K);
            StringBuilder sb=new StringBuilder();
            for(int i=0;i<ch.length;i=i+2){
                sb.append(decrypt(matrix,ch[i],ch[i+1]));
            }
            return sb.toString();
        }
    
        public static void main(String args[]){
            String P="session";
            //String P="Hide the gold in the tree stump";// 明文
            //String P="benrencainiaoyizhi";
            //String P="balloon";
            String K="playfair";// 密钥
            //String K="playfair example";
            //String K="monarchy";
            String C="";// 密文
            if(K.length()<=25){                       
                C=encrypt(P,K);
                System.out.println("加密后的密文："+C);
                P=decrypt(C,K);
                System.out.println("解密后的明文："+P);
            }else{
                System.out.println("密钥大于25个字符！！");
            }       
        }
    }

运行程序，结果如下：  
处理后的明文：SESXSION  
处理后的密钥：\[P, L, A, Y, F, I, R\]  
根据密钥’playfair’构建的矩阵：  
P L A Y F  
I R B C D  
E G H K M  
N O Q S T  
U V W X Z  
加密后的密文：NK XY NC QO  
处理后的密钥：\[P, L, A, Y, F, I, R\]  
根据密钥’playfair’构建的矩阵：  
P L A Y F  
I R B C D  
E G H K M  
N O Q S T  
U V W X Z  
解密后的明文：SE SX SI ON

Playfair密码与单字母替代密码相比有明显的优势：  
其一，双字母有26\*26=676种组合方式，识别各种双字母组合比单字母困难得多;  
其二，字符出现几率一定程度上被均匀化，使频率分析更加困难。