阿依古丽木沙5011213334维吉尼亚密码的解密与破解课件.docx

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阿依古丽木沙5011213334维吉尼亚密码的解密与破解课件

《网络信息安全》

课程结课论文

《维吉尼亚密码加密并破解思路》

学生姓名阿依古丽.木沙

学号5011213334

所属学院信息工程学院

专业计算机科学与技术

班级17-1

指导教师李鹏

塔里木大学教务处制

摘要

使用维吉尼亚密码加密只是众多密码加密方法中的一个，本设计是基于维吉尼亚密码的一种扩展，能起到更强的加密，完成所有属于ACSII的加密，本人主要负责设计的规划，程序设计，界面设计，报告的完成等工作，整个程序是Java平台下实现的。

本次设计方法的原理以及方法仍然以维吉尼亚通用的方法来介绍。

关键词：

维吉尼亚加密，密钥，加密，解密。

目录

一、密码分析及密码系统设计原则1

二、维吉尼亚密码2

（一）维吉尼亚密码的介绍2

（二）维吉尼亚密码的原理3

（三）维吉尼亚密码-特点5

（四）维吉尼亚密码的演变6

（五）维吉尼亚密码下的扩展6

三、加密的意义7

总结8

参考文献9

前言

随着计算机联网的逐步实现，计算机信息的保密问题显得越来越重要。

数据保密变换，或密码技术，是对计算机信息进行保护的最实用和最可靠的方法。

密码是实现秘密通讯的主要手段，是隐蔽语言、文字、图象的特种符号。

凡是用特种符号按照通讯双方约定的方法把电文的原形隐蔽起来，不为第三者所识别的通讯方式称为密码通讯。

在计算机通讯中，采用密码技术将信息隐蔽起来，再将隐蔽后的信息传输出去，使信息在传输过程中即使被窃取或载获，窃取者也不能了解信息的内容，从而保证信息传输的安全。

所以，加密显得越来越重要，学会做加密软件，是很大的成果，可以用于各个领域.

本文首先介绍“维吉尼亚”密码的分析及设计规则，然后介绍维吉尼亚密码的概念，原理，特点，密码的使用，还有加密的意义等。

一、密码分析及密码系统设计原则

对通信双方而言，通信的一方将信息加密后发送给另一方，是为了使攻击者即使得到密文也无法读懂。

对于攻击者来说，在不知道密钥的情况下，要想读懂密文，就要根据他的知识以及掌握的情报来进行密码分析。

    密码分析是研究密钥未知的情况下恢复明文的科学。

通常假设攻击者知道正在使用的密码体制，当然，如果分析者不知道正在使用的密码体制，分析起来将更加困难。

成功的密码分析可能直接恢复明文或密钥，也可能找出保密系统的弱点来恢复明文或密钥。

根据攻击者具有的知识和掌握的情报，可以将密码分析分为以下几种类型：

（1）只有密文的攻击。

攻击者有一些密文，它们是使用同一加密算法和同一密钥加密的。

（2）已知明文的攻击。

攻击者不仅得到一些密文，而且能得到这些密文对应的明文。

    （3）选择明文的攻击。

攻击者不仅得到一些密文和对应明文，而且能选择用于加密的明文。

    （4）选择密文的攻击。

攻击者可以选择不同的密文来解密，并能得到解密后的明文。

    在每种情况下，攻击者的目标是确定正在使用的密钥或待破译密文所对应的明文。

上述几种攻击方式是以强度递增排列的，只有密文的攻击是最容易防护的攻击。

然而，目前最常见的是已知明文和选择明文的攻击。

事实上，攻击者欲得到一些明、密文对或加密一些选择好的明文并不困难，攻击者可以知道很多信息具有标准的头部和尾部。

一般来说，密码系统应该经得起已知明文的攻击。

    密码系统的安全依赖于破译该系统的困难程度。

如果破译一个密码系统的费用超过了被加密数据本身的价值，或者破译所需的时间超过了被加密数据所需保密的时间，或者由一个密码系统加密的数据少于破译该算法所需的数据量，就可以认为这个系统是安全的。

    如果攻击者无论得到多少密文，都没有足够的信息去恢复明文，那么该密码系统就是无条件安全的。

在理论上，只有一次一密的系统才能真正实现这一点。

除此之外的系统都至少可以使用只有密文的攻击来破译。

    设计密码系统必须至少满足下面的一个准则：

（1）破译该密码的成本超过被加密信息的价值；

（2）破译该密码的时间超过被加密信息的生命周期。

    如果一个密码系统能够满足上述准则，就认为该系统在计算上是安全的。

然而困难之处就在于难以估计成功破译密码的努力有多大。

只能使设计的密码系统抗击已知的攻击，尤其要能抗击穷举密钥攻击，即强力攻击。

    穷举密钥攻击方法是对截获的密文用所有可能的密钥解密，直到得到有意义的明文为止。

从理论上来说，除了一次一密密码系统，其它任何密码系统都可以用穷举密钥攻击法破解，但实际上，任何一个实用的密码设计都会使这一方法在计算上失去可行性。

    密码分析方法可以分为确定性和统计性两类。

确定性分析法是利用若干已知数学关系式表示出所求的未知量，这种关系式是从加密和解密算法得来的；统计分析法则是利用明文的已知统计规律进行破译的方法。

例如经典密码分析的许多技术利用了英文语言的统计特性。

通过分析英文字母中单字母、双字母、三字母组合出现的频率并通过猜词法达到破译密码的目的。

二、维吉尼亚密码

（一）维吉尼亚密码的介绍

维吉尼亚密码多表代换密码中最著名的一种，这是以移位代换为基础的周期代换密码，m个移位代换表由m个字母组成的密钥字确定（这里假设密钥学中的M个字母不同，如果有相同的，则代换表的个数是密钥字中不同字母的个数）

如果密钥字为deceptive，

明文wearediscoveredsaveyouselelf被加密为：

明文：

wearediscoverdsaveyouselelf

密钥：

deceptivedeceptivedeceptive

其中，密钥字母a，b，c…y，z对应数字0，1，2…24，25。

密钥字母d对应数字3，因此明文字母W在密钥字母d的作用下向后移位3，得到密文字母Z。

（二）维吉尼亚密码的原理

  比如明文为JACKOZOO,秘匙为LOVE,则我们的密文是这样得到的:

   J对应的密文我们查秘匙为L,则在第L行中,找到与第一行中的J对应的字母为U.

  A对应的密文我们查秘匙为O,则在第O行中,找到与第一行中的A对应的字母为O.

  C对应的密文我们查秘匙为V,则在第V行中,找到与第一行中的C对应的字母为X.

  K对应的密文我们查秘匙为E,则在第E行中,找到与第一行中的K对应的字母为O.

  O对应的密文我们查秘匙为L,则在第L行中,找到与第一行中的O对应的字母为Z.（如果秘匙不够了,我们就循环使用秘匙,LOVELOVELO...）

  Z对应的密文我们查秘匙为O,则在第O行中,找到与第一行中的Z对应的字母为N.

  O对应的密文我们查秘匙为V,则在第V行中,找到与第一行中的O对应的字母为J.

  O对应的密文我们查秘匙为E,则在第E行中,找到与第一行中的O对应的字母为S.

由此得到JACKOZOO在以LOVE作为秘匙的情况下,其密文为:

UOXOZNJS.

  我们看到维吉尼亚密码也很好地隐藏了字频信息.

  但是这里不得不提的是,维吉尼亚密码（VigenereCipher）相对于希尔密码（HillCipher）来说,其对字频信息的隐藏还不够彻底.

  这也导致了在19世纪50年代,英国人查尔斯-巴贝奇对其的破解.其实其破解的基本思想如下:

  比如在密文中,经常出现了同一个子串（比如UPK）,而且每个字串之间的距离都是3的整数倍.那么解密者就很容易推测出秘匙的长度为3.其原因也是十分简单的:

  当秘匙在重复了N次之后,其还是用第一个字母去加密UPK相应的明文.尤其是对THE,YOU,WHAT这类高频词汇当使用了弱秘匙的话,更容易遭受破解.关于维吉

  尼亚密码的具体破解工作,不在本文范围之内,有兴趣的朋友可以自行研究.

  以上介绍的是维吉尼亚密码的加密,解密的话,直接找出相应行在第一行中对应的字母即可

密钥的选取

在维吉尼亚密码中，如果密钥的长度是m，明文中的一个字母能够映成这m个可能的字母中的一个，容易看出维吉尼亚密码中长度为m的可能密钥字的个数是26的m次方，甚至对于一个较小的m值，如m=5，密钥空间超过了1.1乘以10的7次方，这个空间已经足已阻止手工穷举密钥的搜索。

为方便记忆，维吉尼亚密码的密钥字常常取于英文中的一个单词，一个句子或一段文章。

因此，维吉尼亚密码的明文和密钥字母频率分布相同，仍然能够用统计技术进行分析。

要抗击这样的密码分析，只有选择与明文长度相同并与之没有统计关系的密钥内容。

1918年美国电报电话公司的G。

W。

Vernam提出这样的密码系统：

明文英文字母编成5比特二元数字，称之为五单元波多代换码，选择随机二元数字流作为密钥，加密通过执行明文和密钥的逐位异或操作，产生密文，可以简单地表示为Ci=Pi异或Ki

其中，Pi表示明文的第i个二元数字，Ki表示密钥的第i个二元数字，Ci表示密文的第i个二元数字，解密仅需执行相同的逐位异或操作：

Pi=Ci异或Ki

Vernam密码系统的密钥若不重复使用，就能得到一次一密码。

若密钥有重复，尽管使用长密钥增加了密码分析的难度，但只要有了足够的密文，使用已知的或可能的明文序列，或二者相结合也能够破译。

在维吉尼亚密码中，明文中的字符映射到密文空间的字符不但依赖于明文字符，还依赖于它在上下文中的位置。

但是在密文中依然保留了字符频率。

根据某些统计信息破译该密码的关键是判断密钥的长度，即代换表的周期。

（三）维吉尼亚密码-特点

人们在单一恺撒密码的基础上扩展出多表密码，称为“维吉尼亚”密码。

它是由16世纪法国亨利三世王朝的布莱瑟·维吉尼亚发明的，其特点是将26个恺撒密表合成一个，见下表：

ABCDFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

AABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

BBCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZA

CCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZAB

DDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABC

EEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCD

FFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDE

GGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDEF

HHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDEFG

IIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDEFGH

JJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDEFGHI

KKLMNOPQRSTUVWXYZABCDEFGHIJ

LLMNOPQRSTUVWXYZABCDEFGHIJK

MMNOPQRSTUVWXYZABCDEFGHIJKL

NNOPQRSTUVWXYZABCDEFGHIJKLM

OOPQRSTUVWXYZABCDEFGHIJKLMN

PPQRSTUVWXYZABCDEFGHIJKLMNO

QQRSTUVWXYZABCDEFGHIJKLMNOP

RRSTUVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQ

SSTUVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQR

TTUVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRS

UUVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRST

VVWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTU

WWXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUV

XXYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVW

YYZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWX

ZZABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXY

密钥

维吉尼亚密码引入了“密钥”的概念，即根据密钥来决定用哪一行的密表来进行替换，以此来对抗字频统计。

假如以上面第一行代表明文字母，左面第一列代表密钥字母，对如下明文加密：

TOBEORNOTTOBETHATISTHEQUESTION

当选定RELATIONS作为密钥时，加密过程是：

明文一个字母为T，第一个密钥字母为R，因此可以找到在R行中代替T的为K，依此类推，得出对应关系如下：

密钥:

RELATIONSRELATIONSRELATIONSREL

明文:

TOBEORNOTTOBETHATISTHEQUESTION

密文:

KSMEHZBBLKSMEMPOGAJXSEJCSFLZSY

（四）维吉尼亚密码的演变

历史上以维吉尼亚密表为基础又演变出很多种加密方法，其基本元素无非是密表与密钥，并一直沿用到二战以后的初级电子密码机上。

公元16世纪晚期，想要获得更高的保密度的人获得了一种设计更加精细的密码表。

法国外交家BlaisedeVigenère发明了一种方法来对同一条信息中的不同字母用不同的密码进行加密。

这样，同样的E在一个位置可能被M所取代，而在另一个位置的E则有可能以K的面目出现。

这样，就可以防止任何人利用频率分析法解密该条信息。

（五）维吉尼亚密码下的扩展

为了能更多的加密字符，本次设计把维吉尼亚密钥个数增加到ASC码中的所有的英文字母大小字符，希望能加密更多的软件，所有的原理和加密方法和维吉尼亚的一样，只是密钥扩展了一下，所用的公式也改变一下，下面提供了，ASC与十进制的对应，在加密的时候能起到一定的帮助作用，此加密功能相当维吉尼亚更具有安全性。

三、加密的意义

随着计算机联网的逐步实现，计算机信息的保密问题显得越来越重要。

数据保密变换，或密码技术，是对计算机信息进行保护的最实用和最可靠的方法。

密码是实现秘密通讯的主要手段，是隐蔽语言、文字、图象的特种符号。

凡是用特种符号按照通讯双方约定的方法把电文的原形隐蔽起来，不为第三者所识别的通讯方式称为密码通讯。

在计算机通讯中，采用密码技术将信息隐蔽起来，再将隐蔽后的信息传输出去，使信息在传输过程中即使被窃取或载获，窃取者也不能了解信息的内容，从而保证信息传输的安全。

所以，加密显得越来越重要，学会做加密软件，是很大的成果，可以用于各个领域.

总结

刚开始老师布置下来课程设计的时候，心里是一头乱麻，毫无头绪，感觉做太难了，但通过一个多周的学习，发现做起来也没有想象中的那么难。

本次设计给我最大的收获是：

你学到的东西永远都是有用的，只是有的不是时候，但不会还很多，这个时候不应该抱怨和后悔，而是珍惜现在，抓住机会，学习，我的好多同学其实也有很多知识不太熟悉，但经过努力学习，在短时间内掌握了，在这个学习效率比较高的情况下，学的东西会记得更长久。

还有，遇到不懂的，一定要和老师同学交流，知道该去了解哪方面的知识，怎么去做，不要泄气，丢下来不管，没有什么事每个人都会做的，只要学了，努力了，我相信肯定能做好，本次设计给我很大的启发，因为，此次设计，是上大学来，唯一门，综合学科的设计，很能锻炼人。

同时本次实验让我看到了自己的不足以及和别人的差距，给我更强的学习动力，我从心里感谢老师这次设计的安排，让我受益匪浅，启发很多，我会付出实际的行动多学知识。

我认为，在这学期的实验中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。

更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。

而这是日后最实用的，真的是受益匪浅要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践

参考文献

《密码编码和密码分析：

原理与方法》2001-09-01 机械工业出版社

《编码理论（第二版）》2007年9月 西安电子科技大学出版社

《密码编码学与网络安全-原理实践（英文版）（第四版）》2006年7月1日 电子工业出版社

《编码密码学》1992年12月 人民邮电出版社