古典密码之维吉尼亚密码Cpp源码

原理介绍

在上述加密方法中，密文字母和明文字母之间是一对一映射，其加密方法均无法掩盖明文数据的统计特性，通过统计计算密文字母的统计特性，比较容易找出明文和密文之间的对应关系，从而达到破解密文的目的。

以英文文章为例，不同的字母在文章中出现的频率是不同的，美国密码学家William Freidman在对大量英文文章进行统计后，得到不同英文字母的普遍使用频率,不同英文字母（不区分大小写）的使用频率见下表。

字母	频率	字母	频率	字母	频率
A	0.0856	J	0.0133	S	0.0607
B	0.0139	K	0.0042	T	0.1045
C	0.0279	L	0.0339	U	0.0249
D	0.0378	M	0.0249	V	0.0092
E	0.1304	N	0.0707	W	0.0149
F	0.0289	O	0.0797	X	0.0017
G	0.0199	P	0.0199	Y	0.0199
H	0.0528	Q	0.0012	Z	0.0008
I	0.0627	R	0.0677

根据英文字母的使用频率，很容易推测出密文中的不同字符与明文中的不同字符的对应关系，从而破解密文。
以同样的方式还可以统计双字母和三字母的统计特性，例如：在双字母中TH、HE、ER和AN等是使用频率相对较高的双字母组合，而在三字母中则THE、ING、AND和HER等属于使用频率较高的三字母组合。利用双字母和三字母的统计特性，可以更有效地提高简单密码算法的准确性。
对单表代替密码进行改进，产生多表代替密码，多表代替密码隐藏了明文的统计特性，明文的结构信息被隐蔽了。
多表代替密码有两个共同的特征，其一是采用相关单表代换规则，其二是密钥决定代换的具体方法。

在这类密码算法中，比较典型的多表代替密码是维吉尼亚（Vigenere）密码和希尔（Hill）密码，希尔密码实际上也是多表代替密码的另一种变体。

维吉尼亚密码是多表代替密码中最简单的一种，它的代换规则和凯撒密码类似，每个代换表是明文字母移位到0到25次以后得到的代换单表，其代换表如下表所示。

在上表中，第一行表示明文字母，第一列表示密钥字母，中间的大写字母表示加密后的密文，维吉尼亚密码的加密过程为，首先确定密钥，密钥在后续的加密过程中循环使用，然后根据密钥和明文来确定密文。
现设密钥为cipher，明文为seeyoulate，其加密结果如下：

密钥：ciphereiph
明文：seeyoulate
密文：UMTFSLNIIL

明文的第1个字母为s，密钥的第1个字母为c，密文则是第c行第s列对应的字母U，在明文中第二个字母和第三个字母都是e，但由于密钥不同，因此加密得到的密文也不同，这样，密文隐藏了明文的统计特性。由于密钥的长度为6，那么在第6个字母之后密钥循环使用，即第7个明文字母加密时使用的是密钥的第1个字母，以此类推。因此，与单表代替密码相比维吉尼亚密码具有更高的安全性。

Cpp源代码

完整的实现共包括三个相应的文件，vigenere.h、 vigenere.cpp和main.cpp，在vigenere.h中主要完成对类的声明，vigenere.cpp文件主要完成vigenere.h中声明函数的定义，main.cpp中主要是对象的调用。

vigenere.h的代码如下：

#ifndef VIGENERE_H
#define VIGENERE_H
#include<string>

using namespace std;

class Vigenere{
	private:
		int cipherTable[26][26];		//数字编码表 
		string key;				//密钥 
		string explicitly;	        	//待处理的明文 
		string cipherText;			//加密后的密文 
		string explicitlyText;			//解密后的明文 
    public:
    	Vigenere();
		void init();				//初始化 cipherTable 
		void setKey(string k);		//设置加密密钥 
		void setExplicitly(string ex);	//设置明文 
		void encryption();			//加密明文，获得密文 
		void decryption();			//将密文转换为明文 
		void outPutCipherText();		//将处理结果（加密的密文）输出 
		void outPutExplicitlyText();	        //将处理结果（解密的明文）输出  
		int getPosition(int P,int n);	//获取密文解密的位置
};
#endif

vigenere.cpp的代码如下：

#include "vigenere.h"
#include <iostream>

Vigenere::Vigenere(){
	init();
}

void Vigenere::init(){
	int i,j;
	for(int i=0; i<26; i++){
		for(int j=0; j<26; j++){
			cipherTable[i][j]=(i+j)%26;
		}
	}
}

void Vigenere::encryption(){
	cipherText = explicitly; //初始化密文为明文
	unsigned int i;
	int m,n;
	for(i=0; i<explicitly.length(); i++){
		m=int(explicitly[i]-'a');
		n=int(key[i%(key.length())]-'a');
		cipherText[i]=char('A'+cipherTable[n][m]);
	} 
}

void Vigenere::decryption(){
	explicitlyText=cipherText;	//初始化解密明文为密文 
	unsigned int i;
	int m,n;
	for(i=0;i<cipherText.length();i++){
		n=int(key[i%(key.length())]-'a');
		m=getPosition(i,n);
		explicitlyText[i]=char('a'+m);
	} 
}

int Vigenere::getPosition(int p, int n){
	int position;
	int i;
	for(i=0;i<26;i++){
		if(char(cipherText[p])==char('A'+cipherTable[n][i])){
			position=i;
			break;
		}
	}
	return position;
}

void Vigenere::setKey(string k){
	key=k;
}

void Vigenere::setExplicitly(string ex){
	explicitly=ex;
}

void Vigenere::outPutCipherText(){
	cout<<cipherText<<endl;
}

void Vigenere::outPutExplicitlyText(){
	cout<<explicitlyText<<endl;
}

main.cpp的代码如下：

#include <iostream>
#include <string>
#include "vigenere.h"

/* run this program using the console pauser or add your own getch, system("pause") or input loop */

int main(int argc, char** argv) {
	
	Vigenere *v = new Vigenere();
	string key = "cipherciph";
	string ex = "seeyoulate";
	v->setKey(key);
	v->setExplicitly(ex);
	v->encryption();
	cout<<"加密效果：";
	v->outPutCipherText();
	
	v->decryption();
	cout<<"解密效果：";
	v->outPutExplicitlyText();
	
	return 0;
}

执行效果如下：