ＳＹＳ ＳＥＣＵＲＩＴＹ 系统安全 基于Ｖｉｇｅｎｅｒｅ密码的文件加解密器的研究与实现 ◆王飞王笛关宏博 摘要：随着计算机网络和通信技术的发展，信息安全技术已经成为 一个国家信息技术水平的一个重要标志，密码技术则是其核心。维吉尼尔 （Ｖｉｇｅｎｅｒｅ）密码算法是古典加密算法中的最典型的算法之一，本文主要 利用ｃ语言设计实现了分别基￣－Ｖｉｇｅｎｅｒｅ密码算法和三维Ｖｉｇｅｎｅｒｅ密码算法 的文件加解密器。 关键词：维吉尼尔（Ｖｉｇｅｎｅｒｅ）密码算法；文件加；解密器 表１．１ ｖｉｇｅｎｅｒｅ方阵 引言 随着现代通信技术的发展以及计算机网络的普及， 信息已成为社会必须的资源，信息安全也成为时代的迫 切需求。加密技术作为信息安全的核心也越来越受到人 们的普遍重视。本文主要利用Ｃ语言实现二维和三维的 基于Ｖｉｇｅｎｅｒｅ密码的文件加解密器。 一ａ ｂ ｃ ｄ ｅ ｆ ｇ ｈ ｉ ｊ ｋ １ Ｉｉ１ １１ ｏ ｐ ｑ ｒ ｓ ｔ Ｌｔ ｖ ｗ ｘ ｙ ｚ ａ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ｝｛Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ Ｍ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ ｂ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ Ｍ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ ｃ ｄ ｅ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ Ｎ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ氍Ｎ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ ＶⅣＸ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ弘Ｎ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ ｆ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ Ｍ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ 、二维ｖｉｇｅｎｅｒｅ密码 ｇ Ｇ｝｛Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ Ｍ Ｎ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ ｈ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ Ｍ Ｎ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｏ Ｅ Ｆ Ｇ ｉ Ｉ ５ Ｋ Ｌ辫Ｎ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｙ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ Ｖ详Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ珏Ｉ Ｖｉｇｅｎｅｒｅ密码算法是古典加密算法之一，在密码学 中占据着非常重要的地位，它对于我们理解、设计、分 析现代密码学具有很高的参考价值。Ｖｉｇｅｎｅｒｅ密码算法 如下： ｊ Ｊ Ｋ Ｌ ｋ Ｋ Ｌ粥Ｎ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ Ｖ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ＿了 设密钥ｋ＝ｋｌｋ２…ｋ ，明文ｍ＝ｍ１ｍ２…ｍ ，加密 变换 Ｅｋ（ ）＝ＣｌＣ２…Ｃ １ ｉｎ ｎ Ｌ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ｛｛Ｉ Ｊ Ｋ 醚Ｎ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ Ｎ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ 其中Ｃ ｉ（ ｌ＋ｋｆ）ｍｏｄ２６，ｉ＝１，２，…，疗。 ‘ 表１．１￣ｖｉｇｅｎｅｒｅ方针。它的Ｘ轴表示明文，Ｙ轴表 示密钥，利用它可以快速的对简短文件进行加解密。 ｏ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ ｙ Ｗ Ｘ ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ Ｎ ｐ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｙ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ Ｍ Ｎ ０ ｑ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ Ｎ ０ Ｐ 二、三维ｖｉｇｅｎｅｒｅ密码 在二维加密过程中明文中重复部分的间距若是密 钥长度的倍数，则在密文中会产生一个重复部分。当 数据量较大时，就有可能据此推出密钥长度。为了避 免这样的危险，可以利用三维ｖｉｇｅｎｅｒｅ密码算法进行 加密。 ｒ Ｒ Ｓ Ｔ ０ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ ｌｑ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ Ｎ ０ Ｐ Ｑ ｓ Ｓ Ｔ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ Ｍ ０ Ｐ Ｑ Ｒ ｔ Ｔ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ Ｎ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ ｕ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ ｖ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ疆Ｎ ０ Ｐ Ｑ Ｉｔ Ｓ Ｔ Ｕ ｗ Ｗ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ粥Ｎ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ Ｖ ｘ Ｘ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ Ｍ Ｎ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ Ｖ Ｗ ｙ Ｙ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ Ｍ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ 如图２．１上的密钥字母所在坐标轴为ｘ轴，明文字 母坐在坐标轴为Ｙ轴，则二维ｖｉｇｅｎｅｒｅＪＪｌ密的密文字母 ｚ Ｚ Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ Ｊ Ｋ Ｌ Ｍ Ｎ ０ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｙ Ｕ Ｖ Ｗ Ｘ Ｙ ４８ 信息系统工程Ｉ ２０１ １．７．２０ ＳＹＳ ＳＥＣＵＲＩＴＹ 系统安全 三、文件加解密器的实现 墨 燕 一 本设计主要实现了一个基于Ｖｉｇｅｎｅｒｅ密码算法的文 枣 件加解密器，它能针对文本文件进行加解密，并提供相 关的新建、打开、保存等功能。下面从功能模块等方面 童 图２．１ ｖｉｇｅｎｅｒｅ立方体 分别在ｘ轴方向和Ｙ轴方向以模２６形式增长。而三维 ｖｉｇｅｎｅｒｅ密码是在此基础上增加一个ｚ轴，使二维加密后 的密文在ｚ轴的方向也以模２６的方式增长。 记第一次加密密钥Ｋ ： －，ｋｘｚ，…，ｋ ，第二次加密 密钥Ｋ：＝ ｌ，ｋ …，ｋ ，明文 ｙ ｙｌ，ｍ ２，…，ｍ ，通 过引入坐标轴，规定ａ到ｚ分别表示０￣１Ｊ２５，则在原二维 平面，密文字母坐标为 ，Ｍ ，）的点对应的字母，相 应于三维空间，密文字母就是坐标为 ， ，Ｋ： 的点 对应的字母。 上 于是在是三维空间，具体的代换过程可表述如下：［２ 加密变换为 ｃｊ＝ ＋＠ ＋Ｍｙｉ）ｒｎｏｄ ｑ）￣ｏｄ ｇ Ｃ＝Ｅ ）＝ｃ。，ｃ：，…，ｃ ，其中｛ｉ＿ｌ，２，…，ｎ ＝２６ 解密变换为 土 卫 ｆｍ，＝（（ｃ 一Ｋ 。 ｇ）Ｉｎｏｄ口一Ｋｘｉ＋口）ｍｏｄ ｇ ＝ （ｃ）：ｍ ２，…，ｍ ，其中｛ １ ２－， ｌｇ＝２６ 理论上不可攻破的密码系统只有一次一密系统，但 在实际应用中，一次一密却受到很大限制。Ｖｉｇｅｎｅｒｅ密 码针对的是２６个英文字母，如果密钥长度为 则密钥 空间为２６ 。若ｆ】和ｌ 互质，实际上就可以做到用长度为 ， ＋ｆ２的密钥代替长度为， 『２的密钥，而此时密钥空间就 从２６ 扩展到２６ ”，如果采用密钥穷尽搜索的方法，将 是十分困难的，从而极大的提高了破解难度，也实现了 用较短的密钥代替较长的密钥加密效能的作用。 详细介绍设计思路和原理。 ３．１功能模块 该文件加、解密器的结构如下图３．１所示。 文件加解褰器 ％ … … 。 … 点 ……………… … 旃建 打开 迢出 保存 二维 二缡 三孀 三绻 帮助 关于 拥 镌 拥事 解峦 ＿ 图３．１文件加解密器模块设计图 ３．２主函数流程图 如图３．２所示，是该程序的主流程图。它首先初始 化一些全局变量并显示主窗口；然后调用ｗｈｉｌｅ（１）进入 主循环，等待用户按键的返回值，然后根据返回值进行 相应处理。若返回的是常规字符，则进行新建操作，即 图３—２文件加解密器执行主流程图 信息系统工程ｆ ２０１ １．７．２０ ４９ ： 苎 墨 ！ 室全 将字符保存到相应内存中；若返回值为功能键，则根据 返回值执行相应的操作。 ３．３其他相关函数介绍 该文件加解密器中除主函数外，还有另外８个函 数，主要实现一些辅助功能。现在简单介绍如下几个主 要函数： （１）加密函数 加密函数通过循环逐个对待加密字符进行操作， 若是字母则将其转为对应数字；若为其他字符则保持 原样。对于字母再计算对应使用的密钥并利用Ｖｉｇｅｎｅｒｅ 方阵求出对应密文。最终返回一个指向密文的字符串 指针。 （２）解密函数 解密函数与加密过程是逆过程。对于字母利用 Ｖｉｇｅｎｅｒｅ方针求出该密文对应的明文与字母ａ的距离ｄ， 最后将ｄ以模２６的方式加到字母ａ上，得到明文。该函数 最终返回一个指向明文的字符串指针。 （３）菜单控制函数ｉｎｔ ｍｅｎｕｃｔｒｌ（ｃｈａｒ★ｑ，ｉｎｔ Ａ） 该函数用于调用菜单、移动菜单的光条带和选取菜 单选项的任务，最终返回整型值Ａ，主函数根据返回的 Ａ的值来进行相应的操作。 （４）保存函数ｖｏｉｄ ｓａｖｅ（ｃｈａｒ★ｐ，ｃｈａｒ ｑ） 该函数主要是针对明文和密文分别进行保存， 操作过程是相同的。首先以只写方式为输出打开一 个文本文件，然后依次将明文或密文写入相应的文 本文件中。 ３．４函数执行主要过程 软件运行后的主界面如图３．２所示。通过功能键 Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３调用菜单ＦＩＬＥ、ＴＯＯＬ、ＨＥＬＰ。 图３．２文件加、解密主界面 该程序执行时，根据按键的返回值执行如表３．１所 示的相应的操作。 ５０ 信息系统工程Ｉ ２０１１．７．２０ 子菜单 返回值 操作 ＮＥＷ １００ 执行主函数 ｏｐＥＮ ｌｂ１ 调用打开函数 ＳＡＶＥ １０２ 调用僳存函数 ＥＮＣＲＹＰＴＩＯＮ ｌ】Ｏ 调用加密 数 ＤＥＣＲⅥＴ ＯＮ ｌｌｌ 调用解密函数 设置不同参数，调用 ＴＨＲ＿ＥＮＣＲＹＰ ｌ１２ 两次加密函数 设置不同参数，调用 ＴＨＲ－ＤＥＣＲＹＰ ｌｌ３ 两次解密函数 ＨＥＬＰ，ＡＢｏＬｒｒ １２０／ｌ２ｌ 显示相关内容 总结 随着因特网技术的飞速发展，如何保证敏感信息数 据的安全传输日益受到人们的重视，为此，加密技术方 兴未艾并得到日新月异的提高。如今在现实中应用的加 密算法大部分是在经典密码体制基础上经过改进的，作 为密码学的发展源泉，经典密码体制仍具有很高的研究 价值。 本设计实现的文件加解密器可以执行文本文件的 加、解密等，具有一定的实用性。但是由于经验和知识 的缺乏，该文件加解密器还是存在一些不足，最主要的 问题是该软件在界面上没有实现窗口操作，使用起来不 够方便，界面也不够美观。 润 参考文献 ［１］刘桂海，张王勇｝，李军怀．基于双密钥的三维ｖ ｅｎｅｒｅ密码的研究与 应用叽．计算机工程与应用，２００８，４４（１２）：１２７－１２９． 【２］田鲁怀著．数据结构【Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００８． 【３］姜灵芝，余健著．ｃ语言课程设计案例精编［Ｍ】．北京：清华大学出 版社．２００８． ［４】尹德淳著．ｃ函数速查手册【Ｍ】．北京：人们邮电出版社，２００９． （作者单位：王飞，东北大学信息学院；王笛， 海南大学信息科学技术学院；关宏博。东北大学信息学 院）