使用 Playfair 密码对消息进行编码的 Java 程序
javaobject oriented programmingprogramming
加密是将信息转换为不可读格式或密文的任务。通常这样做是为了保护信息的机密性。加密数据的方法和算法有很多。Playfair 密码算法就是这样一个例子。在本文中，我们将了解如何编写 Java 程序使用 Playfair 密码对消息进行编码。
Playfair 密码使用 5X5 网格或矩阵和一组预定义规则。要加密，我们需要一个密钥和要加密的纯文本。
步骤
现在让我们看看使用 Playfair 密码加密消息的步骤 -
1. 生成密钥表
这是 5x5 的字母网格，不允许重复。我们首先将密钥的每个字母放入其中，然后放入所有剩余的字母。字母 i 和 j 被认为占据网格中的同一个单元格，因为 5x5 是 25，而英语中有 26 个字母，因此必须做出一些妥协。
2. 将明文分成对
如果明文的长度为奇数，我们将字母 X 附加到其末尾使其为偶数。然后，我们将整个明文分成对，即每组 2 个字母。例如:如果明文长度为 10，则将有 5 对字母。
3.遍历对
对于明文中的每对字母，我们执行以下操作 -
如果 2 个连续字母相同，则在它们之间插入一个 X。
在步骤 1 中创建的网格中找到 2 个字母的位置。
如果字母在同一行，我们将每个字母替换为正确的字母。如果它是行中的最后一个元素，我们可以转到行的第一个元素。
如果字母在同一列，我们将每个字母替换为其下方的字母。如果它是列中的最后一个元素，我们可以转到列的第一个元素。
如果字母不在同一列或同一行，我们将替换同一行但在另一个字母的列中的每个字母。
4. 上一步获得的字母集是加密文本。
现在让我们看看上面的 Java 实现。
示例
在下面的示例中，我们实现 Playfair 密码来编码消息。
public class PlayfairCipher {
private char[][] keyTable;
private static final int grid_dimension = 5;
private static final char APPEND = 'X';
public PlayfairCipher(String key) {
keyTable = generateKeyTable(key);
}
private char[][] generateKeyTable(String key) {
// 使用所有 ' ' 字符初始化键表
char[][] table = new char[grid_dimension][grid_dimension];
for (int i = 0; i < grid_dimension; i++) {
for (int j = 0; j < grid_dimension; j++) {
table[i][j] = ' ';
}
}
// 使用密钥的字母填充密钥表
int row = 0;
int col = 0;
boolean[] used = new boolean[26];
for (int i = 0; i < key.length(); i++) {
char ch = Character.toUpperCase(key.charAt(i));
if (ch == 'J') {
ch = 'I';
}
if (!used[ch - 'A']) {
table[row][col] = ch;
used[ch - 'A'] = true;
col++;
if (col == grid_dimension) {
row++;
col = 0;
}
}
}
// 用字母表中的剩余字母填充关键表的剩余单元格
for (int i = 0; i < 26; i++) {
char ch = (char) ('A' + i);
if (ch == 'J') {
continue;
}
if (!used[i]) {
table[row][col] = ch;
col++;
if (col == grid_dimension) {
row++;
col = 0;
}
}
}
return table;
}
public String encrypt(String plaintext) {
plaintext = preprocess(plaintext);
StringBuilder ciphertext = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < plaintext.length(); i += 2) {
char ch1 = plaintext.charAt(i);
char ch2 = plaintext.charAt(i + 1);
int[] position1 = findPosition(ch1);
int[] position2 = findPosition(ch2);
if (position1[0] == position2[0]) {
// 当字母存在于同一行时
int newCol1 = (position1[1] + 1) % grid_dimension;
int newCol2 = (position2[1] + 1) % grid_dimension;
ciphertext.append(keyTable[position1[0]][newCol1]);
ciphertext.append(keyTable[position2[0]][newCol2]);
} else if (position1[1] == position2[1]) {
// 当字母存在于同一列时
int newRow1 = (position1[0] + 1) % grid_dimension;
int newRow2 = (position2[0] + 1) % grid_dimension;
ciphertext.append(keyTable[newRow1][position1[1]]);
ciphertext.append(keyTable[newRow2][position2[1]]);
} else {
// 当字母不在同一列或同一行时
ciphertext.append(keyTable[position1[0]][position2[1]]);
ciphertext.append(keyTable[position2[0]][position1[1]]);
}
}
return ciphertext.toString();
}
public String decrypt(String ciphertext) {
StringBuilder plaintext = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < ciphertext.length(); i += 2) {
char ch1 = ciphertext.charAt(i);
char ch2 = ciphertext.charAt(i + 1);
int[] position1 = findPosition(ch1);
int[] position2 = findPosition(ch2);
if (position1[0] == position2[0]) {
int newCol1 = (position1[1] + grid_dimension - 1) % grid_dimension;
int newCol2 = (position2[1] + grid_dimension - 1) % grid_dimension;
plaintext.append(keyTable[position1[0]][newCol1]);
plaintext.append(keyTable[position2[0]][newCol2]);
} else if (position1[1] == position2[1]) {
int newRow1 = (position1[0] + grid_dimension - 1) % grid_dimension;
int newRow2 = (position2[0] + grid_dimension - 1) % grid_dimension;
plaintext.append(keyTable[newRow1][position1[1]]);
plaintext.append(keyTable[newRow2][position2[1]]);
} else {
plaintext.append(keyTable[position1[0]][position2[1]]);
plaintext.append(keyTable[position2[0]][position1[1]]);
}
}
return postprocess(plaintext.toString());
}
private String preprocess(String text) {
// 将 J 替换为 I 并根据需要添加填充
StringBuilder sb = new StringBuilder(text.toUpperCase().replaceAll("[^A-Z]", ""));
for (int i = 1; i < sb.length(); i += 2) {
if (sb.charAt(i) == sb.charAt(i - 1)) {
sb.insert(i, APPEND);
}
}
if (sb.length() % 2 != 0) {
sb.append(APPEND);
}
return sb.toString();
}
private String postprocess(String text) {
// 删除填充并将 X 替换为原始字符
StringBuilder sb = new StringBuilder(text);
for (int i = 1; i < sb.length(); i += 2) {
if (sb.charAt(i) == APPEND) {
sb.deleteCharAt(i);
}
}
return sb.toString().replace(APPEND, ' ');
}
private int[] findPosition(char ch) {
int[] pos = new int[2];
for (int i = 0; i < grid_dimension; i++) {
for (int j = 0; j < grid_dimension; j++) {
if (keyTable[i][j] == ch) {
pos[0] = i;
pos[1] = j;
return pos;
}
}
}
return null;
}
public static void main(String[] args) {
String plaintext = "MOSQUE";
String key = "MONARCHY";
PlayfairCipher cipher = new PlayfairCipher(key);
String ciphertext = cipher.encrypt(plaintext);
System.out.println("明文: " + plaintext);
System.out.println("密文: " + ciphertext);
System.out.println("解密文本: " + cipher.decrypt(ciphertext));
}
}
输出
上述程序将产生以下输出 -
明文:MOSQUE 密文:ONTSML 解密文本:MOSQUE
结论
Playfair 密码是一种使用 5x5 字母网格的替换密码。它遵循一组基于 if else 的规则，不会产生歧义。与简单的替换密码相比，它提供了更强的安全性。它易于理解和实施。虽然它有自己的弱点，例如易受已知明文攻击和密钥管理问题以及无法加密非字母字符，但它是对称加密算法的一个有趣且具有历史意义的例子。它不再用于建立现实生活中的安全通信，但提供了对现代加密算法中使用的基本概念和技术的深刻理解。
