python 密碼學範例——凱撒密碼的實現

凱撒密碼 是密碼學中的一種簡單的 替換加密 技術。明文中的所有字元都會替換為其按照字母表順序向左（或向右）偏移一定量後得到的新字母，作為加密後密文。

如當偏移量為 3 時，明文中所有的字母 A 將被替換成字母 D，B 替換成 E，以此類推。

若收到密文的同時已知加密時使用的偏移量，就可以快速地通過逆運算獲取到最初的明文。

下面兩張圖展示了當偏移量為 8 時明文字母與密文字母的對應關係（圖一即凱撒密碼輪盤，外層為明文，內層為密文，可旋轉以改變偏移量）以及實際的加密過程（圖二）：

PS：對一段明文訊息連續應用多個不同的偏移量進行凱撒密碼規則的加密，並不會增強安全等級。即輪盤的多次旋轉，實際上等同於抵消後的一次旋轉。多次應用的不同偏移量，最終等同於抵消後的一次偏移量，對於暴力破解來說並不會增加複雜度。

如第一次對明文實施偏移 3 位的凱撒加密，再對生成的密文實施偏移 10 位的加密，實際上相當於對最初的明文實施了偏移 13 位的加密。

二、Python 實現凱撒密碼

原始碼：

while True:
 key = input("Please input a key number (like 13):n") or 13
 mode = input("nPlease input mode (encrypt or decrypt):n") or "encrypt"

 symbols = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz1234567890 !?.'
 # 根據數位 key 對字母表 symbols 進行偏移操作，形成密文字母表 ciphers
 ciphers = symbols[int(key):] + symbols[:int(key)]
 # 根據加密與解密動作，生成明文字母到密文字母（或密文到明文）的對應關係
 transtab = str.maketrans(symbols, ciphers) if mode == 'encrypt' else str.maketrans(ciphers, symbols)

 message = input("nPlease input plaintext or ciphertext:n")
 # 完成明文到密文（或密文到明文）的轉換
 result = message.translate(transtab)
 print(f"nThe result is: {result}nn")

執行效果如下：

Please input a key number (like 13):
13

Please input mode (encrypt or decrypt):
encrypt

Please input plaintext or ciphertext:
This is my secret message.

The result is: guv6Jv6Jz!J6rp5r7Jzr66ntrM

Please input a key number (like 13):
13

Please input mode (encrypt or decrypt):
decrypt

Please input plaintext or ciphertext:
guv6Jv6Jz!J6rp5r7Jzr66ntrM

The result is: This is my secret message.

三、Python 對凱撒密碼的爆破

即在加密用的 key 值未知的情況下，嘗試所有可能的 key 值（0 到字母表長度減一）對密文進行解密，輸出以檢視解密出的明文是否有意義。

原始碼：

symbols = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz1234567890 !?.'

ciphertext = input("Please input ciphertext:n")


for key in range(len(symbols)):
 ciphers = symbols[key:] + symbols[:key]
 transtab = str.maketrans(ciphers, symbols)
 plaintext = ciphertext.translate(transtab)

 print(f'Key #{key}: {plaintext}')

執行效果如下：

Please input ciphertext:
guv6Jv6Jz!J6rp5r7Jzr66ntrM
Key #0: guv6Jv6Jz!J6rp5r7Jzr66ntrM
Key #1: ftu5Iu5Iy I5qo4q6Iyq55msqL
Key #2: est4Ht4Hx0H4pn3p5Hxp44lrpK
Key #3: drs3Gs3Gw9G3om2o4Gwo33kqoJ
Key #4: cqr2Fr2Fv8F2nl1n3Fvn22jpnI
Key #5: bpq1Eq1Eu7E1mkzm2Eum11iomH
Key #6: aopzDpzDt6Dzljyl1DtlzzhnlG
Key #7: ZnoyCoyCs5CykixkzCskyygmkF
Key #8: YmnxBnxBr4BxjhwjyBrjxxfljE
Key #9: XlmwAmwAq3AwigvixAqiwwekiD
Key #10: Wklv.lv.p2.vhfuhw.phvvdjhC
Key #11: Vjku?ku?o1?ugetgv?oguucigB
Key #12: Uijt!jt!nz!tfdsfu!nfttbhfA
Key #13: This is my secret message.
Key #14: Sghr0hr0lx0rdbqds0ldrrZfd?
Key #15: Rfgq9gq9kw9qcapcr9kcqqYec!
...

參考資料

Cracking Codes with Python

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