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密码学实验：凯撒密码
一、实验目的
- 掌握凯撒密码的数学原理：理解字符移位与模运算的结合，实现加解密算法。
- 理解暴力破解本质：通过穷举有限密钥空间，掌握利用语言特征破解密文的方法。
- 编程实践：用Python实现加解密逻辑与暴力破解脚本，提升密码学编程能力。
二、凯撒密码核心原理
2.1 字符置换
-
无移位置换表：
小写 a b c d e f g h i j k l m 大写 A B C D E F G H I J K L M 小写 n o p q r s t u v w x y z 大写 N O P Q R S T U V W X Y Z -
移位加密示例（k=5）：
每个字母向前推移5位，如a→F，b→G，明文data加密为IFYF。
2.2 数学模型：用公式定义加密逻辑
- 字母数字化：将26个字母映射为0-25的整数（如
a=0，b=1，z=25）。 - 加密公式：
[ c = (m + k) \mod 26 ]
（m：明文数字，c：密文数字，k：密钥，模26确保结果在字母表范围内） - 解密公式：
[ m = (c - k) \mod 26 ]
示例：
- 明文
data对应数字序列：3, 0, 19, 0 - 密钥
k=5时，密文序列：(3+5)%26=8,(0+5)%26=5,(19+5)%26=24,(0+5)%26=5 - 密文：
I, F, Y, F→IFYF
三、实验步骤与代码实现
3.1 手动加密
- 任务：用学号末位作为密钥（如学号末位为7），加密明文：
data security has evolved rapidly - 结果：手动计算得密文
khah zljbypaf ohz lcvsclk yhwpksf，与程序输出一致。
3.2 编程实现加解密
源代码：
验证结果：
输入明文与密钥7，输出密文与手动计算一致，证明代码正确性。
四、暴力破解
4.1 破解原理：穷举攻击的核心逻辑
- 明文空间扩展：包含大小写字母、数字、符号共65个字符，密钥范围0-64。
- 破解思路：遍历所有密钥，解密后通过语言特征（如英文单词）筛选正确结果。
- 例如：破解下面密文，由于每一行使用了不同的密钥，因此，请一次只对一行进行解密：
qeFIP?eGSeECNNS,
5coOMXXcoPSZIWoQI,
avnl1olyD4l’ylDohww6DhzDjhuDil,
z.GM?.cEQc. 70c.7KcKMKHA9AGFK,
?MFYp2pPJJUpZSIJWpRdpMFY,
ZqH8sl5HtqHTH4s3lyvH5zH5spH4t pHzqHlH3l5K
Zfbi,!tif!xpvme!qspcbcmz!fbu!nfA
此时，明文空间为’ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz1234567890 !?.’
4.2 暴力破解代码
alphabet = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz1234567890 !?.'
ciphertext = input("请输入密文：")for key in range(len(alphabet)):# 对每个字符执行逆向移位，保留非字母字符plaintext = ''.join([alphabet[(alphabet.index(c) - key) % len(alphabet)] if c in alphabet else c for c in ciphertext])print(f"密钥{key:2d}: {plaintext}") # 格式化输出便于查看
4.3 破解结果
| 密文行 | 正确密钥 | 明文 |
|---|---|---|
| 1 | 34 | I love my kitty |
| 2 | 44 | My kitty loves me |
| 3 | 6 | Together we’re happy as can be |
| 4 | 32 | Though my head has suspicions |
| 5 | 45 | That I keep under my hat |
| 6 | 11 | Of what if I shrank to the size of a rat. |
| 7 | 1 | Yeah, she would probably eat me. |
关键技巧：通过观察连续英文单词（如love、together）快速定位正确密钥，无需逐行检查。
破解实例截图：
第一行：
六、实验小结：传统密码的局限与现代密码的启示
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技术收获：
- 掌握凯撒密码的加解密核心（移位+模运算）与暴力破解流程（穷举+语言分析）。
- 学会处理扩展字符集（含数字、符号）的密码逻辑，提升代码鲁棒性。
-
安全启示：
- 凯撒密码的密钥空间仅70种可能，现代计算机可瞬间破解，证明密钥空间大小直接决定密码安全性。
- 传统密码依赖“算法保密”（如移位规则），而现代密码遵循“Kerckhoffs原则”（算法公开，仅密钥保密），安全性更可靠。
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实践价值：
本次实验为学习对称加密（如AES）、非对称加密（如RSA）奠定了基础，理解“简单算法→复杂算法→现代密码学”的演进逻辑。
七、延伸思考：如果凯撒密码遇到现代密码学
- 如何增强凯撒密码安全性？
答：扩大密钥空间（如结合多表代换）、引入非线性变换（如仿射密码），但本质仍无法抵御现代攻击。 - 暴力破解适用于所有密码吗？
答：仅适用于密钥空间极小的密码（如凯撒密码），对AES-256等大密钥空间算法无效（穷举需超宇宙时间）。