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聊胜于无 Java之Caesar与Vigenere实现
2011-10-29 07:48:00           
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1  背景介绍
话说目前做所谓"企业"开发的语言基本就集中在运用.Net和J2EE上了。又话说,在下很不幸又和Java"同流合污"了一把。现在回想起来,真是感慨万千啊~遥想公瑾当年,小乔初嫁了,雄姿英发,羽扇纶巾,谈笑间,强虏灰飞烟灭。~
额,下面插播一下正题。其实,目前国内用Java做真正的"企业级"得其实并不是很多,绝大多数都是用个SSH1就觉得这就是Java之企业级开发了,之后就开始沾沾自喜了。这你说让Servlet和EJB3情何以堪啊~所以说,目前国内大多数Java的开发环境并不能说真正的武装到牙齿。
基于这样的原因,有些时候,我们在做一些"工程"的时候~,当然对于多数情况就是IDE菜单选择"新建工程"这么个选项出来的货了,对于某些应用,需要用到一些加密算法,虽说Java自身带有专门的加密库,但是那个用起来的确有些麻烦,而且加密算法还是动态加载的,在本地测试的话问题还不是很大,痛苦的是万一到服务器上一跑,这个加密算法加载失败什么的,这可就大条了。如果说是一个什么认证系统之类的,那也就罢了。但如果只是一些对密码强要求很低,但不加密又不行的情况,那的确是挺麻烦的一件事情。
那么,处于对易用性,易实现性的考虑,那些什么DES算法就暂时不考虑了。如果真有这个需求的话,相信找个健壮性很高的DES问题还不是很大的。而在那许多经典的加密算法中,要数Caesar加密比较经典了。所以,处于这样的一个需求,就打算实现一个经典加密算法。
2  Caesar加密算法
Caesar加密算法算是经典加密算法中最简单的了。对于标准的Caesar来说,就是把字母序列向后移动一定的数量,替换后得到密文,而这个数量为固定值3。也就是说,在都是由英文字母组成的文本里,字母A将会被替换成D,B会被替换成E,以此类推。
对于Caesar加密算法,存在几点问题。首先是这个作为密钥的值是个固定的3,而且字母表又是按顺序排列的,所以只要对方知道你是用Caesar加密的,就很容易的脱密成原文,虽然有些麻烦,但是这就和用原文是差不多的,即使对加密要求很低也不能低成这样不是?然后是这个替换表,因为是基于字母表的,所以对于英文来说只能加密英文字母,这样就不能被支持了。最后,因为替换是固定的,所以,对于同一个字母,加密后的字母也是固定的。比如"AAA"这个文本加密后,就是"DDD",看起来还不够迷惑人。
基于以上的原因,我这里实现的Caesar做了一些修改,但是总的思路还是Caesar。
public class Caesar {      private String table;      private int seedA = 1103515245;      private int seedB = 12345;            public Caesar(String table, int seed) {          this.table = chaos(table, seed, table.length());      }      public Caesar(String table) {          this(table, 11);      }      public Caesar() {          this(11);      }      public Caesar(int seed) {          this("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ", seed);      }      public char dict(int i, boolean reverse) {          int s = table.length(), index = reverse ? s - i : i;          return table.charAt(index);      }      public int dict(char c,  boolean reverse) {          int s = table.length(), index = table.indexOf(c);          return reverse ? s - index : index;      }      public int seed(int seed) {          long temp = seed;          return (int)((temp * seedA + seedB) & 0x7fffffffL);      }        public String chaos(String data, int seed, int cnt) {          StringBuffer buf = new StringBuffer(data);          char tmp; int a, b, r = data.length();          for (int i = 0; i < cnt; i += 1) {              seed = seed(seed); a = seed % r;              seed = seed(seed); b = seed % r;              tmp = buf.charAt(a);              buf.setCharAt(a, buf.charAt(b));              buf.setCharAt(b, tmp);          }          return buf.toString();      }        public String crypto(boolean reverse,                           int key, String text) {          String ret = null;          StringBuilder buf = new StringBuilder();          int m, s = table.length(), e = text.length();            for(int i = 0; i < e; i += 1) {              m = dict(text.charAt(i), reverse);              if (m < 0) break;              m = m + key + i;              buf.append(dict(m % s, reverse));          }          if (buf.length() == e)              ret = buf.toString();          return ret;      }      public String encode(int key, String text) {          return crypto(false, key, text);                }      public String decode(int key, String text) {          return crypto(true , key, text);      }            public static void main(String[] args) {          Caesar caesar = new Caesar();          String data = caesar.encode(32, "APPLE");          caesar.decode(32, data);      }  }  public class Caesar {
    private String table;
    private int seedA = 1103515245;
    private int seedB = 12345;
   
    public Caesar(String table, int seed) {
        this.table = chaos(table, seed, table.length());
    }
    public Caesar(String table) {
        this(table, 11);
    }
    public Caesar() {
        this(11);
    }
    public Caesar(int seed) {
        this("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ", seed);
    }
    public char dict(int i, boolean reverse) {
        int s = table.length(), index = reverse ? s - i : i;
        return table.charAt(index);
    }
    public int dict(char c,  boolean reverse) {
        int s = table.length(), index = table.indexOf(c);
        return reverse ? s - index : index;
    }
    public int seed(int seed) {
        long temp = seed;
        return (int)((temp * seedA + seedB) & 0x7fffffffL);
    }

    public String chaos(String data, int seed, int cnt) {
        StringBuffer buf = new StringBuffer(data);
        char tmp; int a, b, r = data.length();
        for (int i = 0; i < cnt; i += 1) {
            seed = seed(seed); a = seed % r;
            seed = seed(seed); b = seed % r;
            tmp = buf.charAt(a);
            buf.setCharAt(a, buf.charAt(b));
            buf.setCharAt(b, tmp);
        }
        return buf.toString();
    }

    public String crypto(boolean reverse,
                         int key, String text) {
        String ret = null;
        StringBuilder buf = new StringBuilder();
        int m, s = table.length(), e = text.length();

        for(int i = 0; i < e; i += 1) {
            m = dict(text.charAt(i), reverse);
            if (m < 0) break;
            m = m + key + i;
            buf.append(dict(m % s, reverse));
        }
        if (buf.length() == e)
            ret = buf.toString();
        return ret;
    }
    public String encode(int key, String text) {
        return crypto(false, key, text);
       
    }
    public String decode(int key, String text) {
        return crypto(true , key, text);
    }
   
    public static void main(String[] args) {
        Caesar caesar = new Caesar();
        String data = caesar.encode(32, "APPLE");
        caesar.decode(32, data);
    }
}

在上面的Caesar实现中,我用一个整数替代了原来作为密钥的固定值3。其次,可以通过传入不同的字符集让这个加密算法的适用性更广泛。最后,算法类在初始化的时候,会对替换表做一次扰乱操作,这样的话,即使是相同的替换表,因为初始化传入的seed不同,加密出来的内容也会不同。至于程序的细节,我想源码会更直观的告诉你的。
3  Vigenere加密算法
其实,Vigenere加密算法从历史考证来看好像并不是一个叫Vigenere的人发明的。大概只是因为某些机缘巧合,被一个叫Vigenere的人用了,并且流传开了,然后就被叫做Vigenere加密算法了。后来发现这原来是一个美丽的误解,但是既然都已经被叫习惯了,改口自然是很难了,因此就那么流传下来了。说道这里,Bellaso先生又一次的泪目了。
为什么我这里要把Vigenere密码和Caesar放在一起呢?因为Vigenere算是一个升级版的Caesar算法。所以,当时实现了那个Caesar后,就顺带连 Bellaso 和 Vigenere 先生,也一起缅怀一下了。和Caesar相比Vigenere是一个多表替代,就是说针对明文中不同位置的字母,会选用不同的替换表来加密。如果用上面的例子来说,对于不同位置的字母,会选择不同的key去加密。说白了,就是多个Caesar叠加起来就是Vigenere。
虽然说Vigenere在加密的效果上比Caesar有很多提升了,也弥补了Caesar上存在的一些问题。但是,我的实现还是做了一些小小的调整。
public class Vigenere {      private String table;      private int seedA = 1103515245;      private int seedB = 12345;            public Vigenere(String table, int seed) {          this.table = chaos(table, seed, table.length());      }      public Vigenere(String table) {          this(table, 11);      }      public Vigenere() {          this(11);      }      public Vigenere(int seed) {          this("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ", seed);      }            private char dict(int i, boolean reverse) {          int s = table.length(), index = reverse ? s - i : i;          return table.charAt(index);      }      private int dict(char c,  boolean reverse) {          int s = table.length(), index = table.indexOf(c);          return reverse ? s - index : index;      }      private int seed(int seed) {          long temp = seed;          return (int)((temp * seedA + seedB) & 0x7fffffffL);      }        public String chaos(String data, int seed, int cnt) {          StringBuffer buf = new StringBuffer(data);          char tmp; int a, b, r = data.length();          for (int i = 0; i < cnt; i += 1) {              seed = seed(seed); a = seed % r;              seed = seed(seed); b = seed % r;              tmp = buf.charAt(a);              buf.setCharAt(a, buf.charAt(b));              buf.setCharAt(b, tmp);          }          return buf.toString();      }      public String crypto(boolean reverse,                           String key, String text) {          String ret = null;          StringBuilder buf = new StringBuilder();          int m, k, s = table.length(),                     e = text.length(),                     ke = key.length();            for(int i = 0; i < e; i += 1) {              m = dict(text.charAt(i), reverse);              k = dict(key.charAt(i % ke), false);              if (m < 0 || k < 0) break;              m = m + k + i;              buf.append(dict(m % s, reverse));          }          if (buf.length() == e)              ret = buf.toString();          return ret;      }      public String encode(String key, String text) {          return crypto(false, key, text);                }      public String decode(String key, String text) {          return crypto(true , key, text);      }      public static void main(String[] args) {          Vigenere vigenere = new Vigenere();          String data = vigenere.encode("BELLASO", "APPLE");          vigenere.decode("BELLASO", data);      }  }  public class Vigenere {
    private String table;
    private int seedA = 1103515245;
    private int seedB = 12345;
   
    public Vigenere(String table, int seed) {
        this.table = chaos(table, seed, table.length());
    }
    public Vigenere(String table) {
        this(table, 11);
    }
    public Vigenere() {
        this(11);
    }
    public Vigenere(int seed) {
        this("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ", seed);
    }
   
    private char dict(int i, boolean reverse) {
        int s = table.length(), index = reverse ? s - i : i;
        return table.charAt(index);
    }
    private int dict(char c,  boolean reverse) {
        int s = table.length(), index = table.indexOf(c);
        return reverse ? s - index : index;
    }
    private int seed(int seed) {
        long temp = seed;
        return (int)((temp * seedA + seedB) & 0x7fffffffL);
    }

    public String chaos(String data, int seed, int cnt) {
        StringBuffer buf = new StringBuffer(data);
        char tmp; int a, b, r = data.length();
        for (int i = 0; i < cnt; i += 1) {
            seed = seed(seed); a = seed % r;
            seed = seed(seed); b = seed % r;
            tmp = buf.charAt(a);
            buf.setCharAt(a, buf.charAt(b));
            buf.setCharAt(b, tmp);
        }
        return buf.toString();
    }
    public String crypto(boolean reverse,
                         String key, String text) {
        String ret = null;
        StringBuilder buf = new StringBuilder();
        int m, k, s = table.length(),
                  e = text.length(),
                  ke = key.length();

        for(int i = 0; i < e; i += 1) {
            m = dict(text.charAt(i), reverse);
            k = dict(key.charAt(i % ke), false);
            if (m < 0 || k < 0) break;
            m = m + k + i;
            buf.append(dict(m % s, reverse));
        }
        if (buf.length() == e)
            ret = buf.toString();
        return ret;
    }
    public String encode(String key, String text) {
        return crypto(false, key, text);
       
    }
    public String decode(String key, String text) {
        return crypto(true , key, text);
    }
    public static void main(String[] args) {
        Vigenere vigenere = new Vigenere();
        String data = vigenere.encode("BELLASO", "APPLE");
        vigenere.decode("BELLASO", data);
    }
}
话说,Vigenere加密算法传入的密钥到不是一个数字,是一个字符串。这个字符串中所用的字符,必须在替换表中出现过的。总的来说,Vigenere的强度要比Caesar强一些。但是终究还是会被破解的。不过,Vigenere有机会成为强度相当高的一种加密手段,前提是~前提是你的密钥长度大于或等于明文长度。然而,在实际应用中,这个密钥总是小于明文长度的。
4  总结
总的来说,理解这两个加密算法都不算太难。对于密码学大牛来说,这简直是小儿科了。两个算法有许多地方都是公用的,只是在一些地方有少许不同。在开发中,可以根据自己的喜好选择一下。不要期待这两个加密算法能有多大的抗破解强度,但是,作为一个烟雾弹掩盖一下明文还是可以的。不过,如果你要将这个加密算法反复对一组明文加密的话,你最好自己再测试一下。因为,加密次数多了,出来的不一定是一个强度高的密文,也可能会是明文本身,切记切记。
另外,有些人可能会想,那如果我要加密的是中文或者二进制数据,是不是要建立一个超大的密码表,比如把中文字符集放进去?我想说的是,这个加密算法强度不是很高的,如果你非有这个需求,要上身穿着阿玛尼,脚上穿着丁子拖加裤衩,那也是可以的,方法就是用Base64把你的数据转一下码。剩下的就是传一个包含那64个字符的转换表。建议"="符号不要加密。
就像我题目所说的,聊胜于无。有时候,有条裤衩穿着出门,总比一丝不挂的出门要好。前者,你最多是被人说不太文明。而后者,你却铁定要被请去喝茶的。我实现这两个密码最主要的现实意义也在于此,最后,感谢你能坚持看到文章的末尾,如果你有什么疑问或者想法,希望你能告诉我,我也很乐意与你交流。

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Footnotes:
1Struts2 + Spring + Hibernate

 摘自 北斗星君的专栏

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