序列密码

古城微笑少年丶 2023-06-24 06:30 23阅读 0赞

## 简述 ##

通俗讲，序列密码就是利用初始密钥（种子密钥），产生密钥流，再利用密钥流，对明文**逐比特进行加密**（异或运算），解密相同，将密文与密钥进行逐比特异或运算。

由于密钥流的周期性会导致加密的不安全，但是非周期（随机）又存在协商难题，因此序列密码在产生密钥流时采用的是**伪随机数**（周期很大的周期序列）

采用伪随机数近乎完美地解决了以上两个难题，也实现了一次一密的加密方案。

序列密码又分为**同步序列密码**与**自同步序列密码**  
1）同步序列：密文只与明文和密钥有关，密文不参与加密。  
2）自同步序列：密文参与加密，密文不仅与明文和密钥有关，还与之前的密文有关。

## 加解密 ##

序列密码加解密采用同样的流程：密钥与消息进行逐比特异或运算。

流程图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzOTY4MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 代码实现 ##

#!/usr/bin/python3.7
    # -*- coding: utf-8 -*-
    # @Time : 2019/12/18 15:25
    # @Author : SystemDefenser
    # @Email : mrwx1116@163.com
    # @Software: PyCharm
    from re import search
    
    # 密钥流生成密钥
    def createKey(parameter, initialKey, keyLength):
        tmpKeyList = [] # 临时密钥序列（所有组合）
        cycleKeyList = []   # 周期密钥序列（末尾元素）
        resultKeyList = []  # 最终密钥序列（指定长度）
        parameterList = list(map(lambda x: int(x) - 1, list(parameter.split(" ")))) # 用于异或操作的位置
        tmpKeyList.append(list(map(lambda x: int(x), initialKey)))
        count = 0
        while True:
            # 存储每一轮的结果
            tmpList = [0 for i in range(len(initialKey))]
            tmpList[0] = tmpKeyList[count][int(parameterList[0])]
            # 依次异或
            for i in range(1, len(parameterList)):
                tmpList[0] ^= tmpKeyList[count][int(parameterList[i])]
            for i in range(1, len(initialKey)):
                tmpList[i] = tmpKeyList[count][i - 1]
            tmpKeyList.append(tmpList)
            count += 1
            if tmpKeyList[count] == tmpKeyList[0]:
                break
        print("=" * 50)
        print("周期：", len(tmpKeyList) - 1)
        for item in tmpKeyList:
            print(tmpKeyList.index(item) + 1, item)
        for item in tmpKeyList[:-1]:
            cycleKeyList.append(item[-1])
        print("周期密钥：", cycleKeyList)
        print("周期：", len(cycleKeyList))
        for i in range(keyLength):
            resultKeyList.append(cycleKeyList[i % len(cycleKeyList)])
        print("加密密钥：", resultKeyList)
        print("长度：", len(resultKeyList))
        print("=" * 50)
        return resultKeyList
    
    # 字符串转二进制
    def strToBin(massage):
        resultStr = ""
        for i in massage:
            tmp = bin(ord(i)).replace("0b", "")
            while len(tmp) < 8:
                tmp = "0" + tmp
            resultStr += tmp
        return resultStr
    
    # 二进制转字符串
    def binToStr(massage):
        resultStr = ""
        for i in range(0, len(massage), 8):
            tmp = int(massage[i:i + 8], 2)
            resultStr += chr(tmp)
        return resultStr
    
    # 加解密
    def encrypt_decrypt(massage, keyList):
        resultStr = ""
        binStr = strToBin(massage)
        for i in range(len(binStr)):
            resultStr += str(int(list(binStr)[i]) ^ int(keyList[i % len(keyList)]))
        return resultStr
    
    # 输入信息
    def inputMassage():
        massage = input("输入Massage：")
        while True:
            initialKey = input("输入初始密钥（01串）：")
            if not search(r"[^0-1]", initialKey):
                break
        while True:
            parameter = input("输入反馈参数（空格隔开）：")
            parameterList = list(map(lambda x: int(x), list(parameter.split(" "))))
            if max(parameterList) <= len(initialKey):
                break
        keyLength = int(input("输入加密密钥长度："))
        # 返回初始消息（明文 / 密文）、初始密钥、反馈参数、加密密钥长度
        return massage, initialKey, parameter, keyLength
    
    if __name__ == "__main__":
        while True:
            print("——————序列密码——————")
            choice = input("1、加密 2、解密\n请选择：")
            if choice == "1":
                massage, initialKey, parameter, keyLength = inputMassage()
                binStr = strToBin(massage)
                print("明文对应二进制序列：", binStr)
                keyList = createKey(parameter, initialKey, keyLength)
                cipherText_bin = encrypt_decrypt(massage, keyList)
                cipherText = binToStr(cipherText_bin)
                print("密文：", cipherText)
            elif choice == "2":
                massage, initialKey, parameter, keyLength = inputMassage()
                binStr = strToBin(massage)
                print("密文对应二进制序列：", binStr)
                keyList = createKey(parameter, initialKey, keyLength)
                cipherText_bin = encrypt_decrypt(massage, keyList)
                cipherText = binToStr(cipherText_bin)
                print("明文：", cipherText)
            else:
                continue

## 加密测试 ##

初始明文：`systemdefenser`  
加密结果：`â’P¢"Áë<x×Sº`

——————序列密码——————
    1、加密            2、解密
    请选择：1
    输入Massage：systemdefenser
    输入初始密钥（01串）：1001
    输入反馈参数（空格隔开）：1 4
    输入加密密钥长度：300
    明文对应二进制序列： 0111001101111001011100110111010001100101011011010110010001100101011001100110010101101110011100110110010101110010
    ==================================================
    周期： 15
    1 [1, 0, 0, 1]
    2 [0, 1, 0, 0]
    3 [0, 0, 1, 0]
    4 [0, 0, 0, 1]
    5 [1, 0, 0, 0]
    6 [1, 1, 0, 0]
    7 [1, 1, 1, 0]
    8 [1, 1, 1, 1]
    9 [0, 1, 1, 1]
    10 [1, 0, 1, 1]
    11 [0, 1, 0, 1]
    12 [1, 0, 1, 0]
    13 [1, 1, 0, 1]
    14 [0, 1, 1, 0]
    15 [0, 0, 1, 1]
    1 [1, 0, 0, 1]
    周期密钥： [1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1]
    周期： 15
    加密密钥： [1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1]
    长度： 300
    ==================================================
    密文： â’P¢"Áë<x×Sº
    ——————序列密码——————
    1、加密            2、解密
    请选择：2
    输入Massage：â’P¢"Áë<x×Sº
    输入初始密钥（01串）：1001
    输入反馈参数（空格隔开）：1 4
    输入加密密钥长度：300
    密文对应二进制序列： 1110001010010010010100001010001000100010110000011110101100111100011110001101011101010011000101110001111110111010
    ==================================================
    周期： 15
    1 [1, 0, 0, 1]
    2 [0, 1, 0, 0]
    3 [0, 0, 1, 0]
    4 [0, 0, 0, 1]
    5 [1, 0, 0, 0]
    6 [1, 1, 0, 0]
    7 [1, 1, 1, 0]
    8 [1, 1, 1, 1]
    9 [0, 1, 1, 1]
    10 [1, 0, 1, 1]
    11 [0, 1, 0, 1]
    12 [1, 0, 1, 0]
    13 [1, 1, 0, 1]
    14 [0, 1, 1, 0]
    15 [0, 0, 1, 1]
    1 [1, 0, 0, 1]
    周期密钥： [1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1]
    周期： 15
    加密密钥： [1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1]
    长度： 300
    ==================================================
    明文： systemdefenser

*  **加密：**

输入Massage：`systemdefenser`  
输入初始密钥（01串）：`1001`（种子密钥）  
输入反馈参数（空格隔开）：`1 4`（用于异或反馈的位置）  
输入加密密钥长度：`300`（用于加密的长度）  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzOTY4MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

*  **解密：**

输入Massage：`â’P¢"Áë<x×Sº`  
输入初始密钥（01串）：`1001`  
输入反馈参数（空格隔开）：`1 4`  
输入加密密钥长度：`300`  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzOTY4MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

## 注意事项 ##

需要注意的部分只有一个：在转换二进制拼接时，由于计算机显示的不是全8位，当前置为0时就会省略，因此在拼接时需要手动补全。

例如：10的8位二进制为 00001010，而电脑只会显示 1010。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzOTY4MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

代码片段：

while len(tmp) < 8:
                tmp = "0" + tmp
            resultStr += tmp

该片段位于 strToBin(massage) 函数中，用于解决此问题。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzOTY4MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191221145736446.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzOTY4MDgw,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzOTY4MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191221151717336.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzOTY4MDgw,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzOTY4MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191221151929715.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzOTY4MDgw,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzOTY4MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191221152617342.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzOTY4MDgw,size_16,color_FFFFFF,t_70