古典加密技术实验入门：维吉尼亚与希尔密码应用

密码学是一门研究编写和解读密码的技术科学，它是信息安全的基石。哈工大（哈尔滨工业大学）开设的“密码学应用与实践实验一”课程，主要目的是让学生通过实践学习和掌握古典加密技术，具体包括维吉尼亚密码（Vigenère cipher）和希尔密码（Hill cipher）。下面分别对这些加密技术进行详细解析： ### 古典加密技术 古典加密技术是最早的加密方法，主要依赖于各种替换和置换方法。在计算机和现代加密算法出现之前，古典加密技术被广泛使用。 #### 维吉尼亚密码（Vigenère cipher） 维吉尼亚密码是由法国密码学家Blaise de Vigenère在1586年提出的一种多表替换密码技术。它被认为是最早的和最强的密码技术之一，直到19世纪才被广泛破解。 维吉尼亚密码的基础是凯撒密码（Caesar cipher），但与凯撒密码不同的是，维吉尼亚密码使用多个替换表，这些表基于一个关键词。加密过程如下： 1. 选择一个关键词，这个关键词会重复地写在明文的上方。 2. 每个明文字符根据其上方相应的关键词字符的偏移量进行替换。例如，如果关键词是“VIG”，并且明文的第一个字符是‘A’，那么在字母表中‘A’向后移动‘V’的位置数（21位）后，得到的密文字符。 3. 过程重复，直到整个明文被加密。 维吉尼亚密码的破解相对凯撒密码要复杂，因为它的密钥长度和明文长度是相关的，使得频率分析变得更加困难。 #### 希尔密码（Hill cipher） 希尔密码是由数学家Lester S. Hill在1929年提出的加密方法，是一种多字母替换密码。它基于线性代数中的矩阵乘法，可以看作是维吉尼亚密码的一个推广。 希尔密码的工作原理如下： 1. 首先将明文分成长度为n的块，每块由n个字母组成，通常n是2或3。 2. 每个字母用一个数字表示，例如A=0, B=1, …, Z=25。 3. 选择一个n×n的可逆矩阵作为密钥。 4. 将每块明文对应的数字用密钥矩阵左乘，得到密文对应的数字块。 5. 将密文对应的数字转换回字母。 希尔密码的安全性取决于密钥矩阵的选择。如果密钥矩阵不是随机选取的，那么密码就可能被破解。 ### 实验内容 哈工大的实验课程可能会要求学生编写几个C程序文件来实现古典加密技术。文件列表中提供的几个文件名暗示了实验的结构： 1. **vig-premuute.c** - 这个文件可能包含了维吉尼亚密码的一个实现。"premuute"可能是实验中一个特定的关键词，用于加密和解密。 2. **hill.c** - 这个文件很可能实现了希尔密码的加密和解密过程。 3. **affine-enctypt.c** - 这个文件名暗示了它可能涉及到了仿射密码（Affine cipher），这是一种更简单的多字母替换密码，基于单模线性方程。 4. **vig.c** - 这个文件可能包含了另一个维吉尼亚密码的实现，或是实验中的一个其他相关任务。 通过这些实验，学生将能够深刻理解古典加密算法的工作原理，学习如何在计算机中编程实现这些算法，以及对它们的安全性进行分析。这样的实践对于信息安全专业的学生来说，是非常宝贵的实践经验。