Python密码学编程第2版

本书是学习用Python编程实现加密算法的初学者指南
本书附带示例源代码，帮助读者学以致用
本书配有课后习题及答案，可帮助读者加深知识理解

通过阅读本书，您将学习如何通过 Python 编程制作和破解密码，以此创建和发送密文！学习 Python 编程的基础 知识之后，您将从使用反向和凯撒密码的简单程序开始，了解为公开密钥加密的方法，该加密方法用于保护在线事务的 正常运作，包括数字签名和电子邮件。另外，您还将学习如何使用经典密码（如置换密码和维吉尼亚密码）对文本进行加密。 每个程序都包含完整的代码和逐行说明。本书结尾，您将学习如何使用 Python 进行编码。
您还将学习以下内容：
将循环、变量和流控制语句组合到实际的工作程序中；
使用字典文件检测解密的消息是有效的英文还是乱码；
创建并测试程序以确保代码正确加密和解密；
对仿射密码进行编码（破解）的示例（使用模块化算术对消息进行加密）；
使用暴力算法和频率分析等技术破解密码。

阿尔·斯维加特（Al Sweigart）是一位专业的软件开发人员，他专注于儿童和成人编程项目。他编写了《Python游戏编程快速上手》《Python和Pygame游戏开发指南》《Python密码学编程》《Python编程快速上手——让繁琐工作自动化》等图书，深受读者欢迎。

第 1章 制作纸质密码学工具 1
1．1 什么是密码学 1
1．2 编码与密码 2
1．3 凯撒密码 3
1．3．1 密码轮 3
1．3．2 使用密码轮进行加密 4
1．3．3 使用密码轮进行解密 5
1．3．4 通过计算进行加密和解密 5
1．4 为什么加密两次不起作用 6
1．5 小结 7
1．6 习题 7
第 2章 在交互式运行环境中编程 8
2．1 简单的数学表达式 8
2．2 整型和浮点数的值 9
2．3 表达式 10
2．4 运算顺序 10
2．5 计算表达式的值 10
2．6 用变量存储数值 12
2．7 重写变量 13
2．8 变量名 14
2．9 小结 14
2．10 习题 15
第3章 字符串及编写程序 16
3．1 用字符串的值处理文本 16
3．1．1 “+”运算符实现字符串拼接 17
3．1．2 “*”运算符实现字符串复制 18
3．1．3 通过索引获得字符串中的字符 18
3．2 用print()函数打印值 21
3．3 打印转义字符 22
3．4 引号和双引号 23
3．5 在集成开发环境的文件编辑器中编写程序 23
3．6 “Hello， World!”程序的源代码 24
3．7 使用在线比较工具检查源代码 25
3．8 通过集成开发环境保存程序 26
3．8．1 保存程序 26
3．8．2 运行程序 26
3．8．3 打开保存的程序 27
3．9 “Hello， World! ”程序如何工作 27
3．9．1 注释 28
3．9．2 打印指示信息 28
3．9．3 接收输入 28
3．9．4 完成程序 29
3．10 小结 29
3．11 习题 30
第4章 反向密码 31
4．1 反向密码程序的源代码 31
4．2 反向密码程序的执行结果样例 32
4．3 设置注释及变量 32
4．4 确定字符串的长度 33
4．5 while循环 33
4．6 Boolean数据类型 34
4．7 比较操作符 34
4．8 代码块 36
4．9 while循环语句 37
4．10 “增长”字符串 38
4．11 用input()提示改进程序 40
4．12 小结 41
4．13 习题 41
第5章 凯撒密码 42
5．1 凯撒密码程序的源代码 42
5．2 凯撒密码程序样例运行 43
5．3 导入模块并创建变量 44
5．4 常量和变量 45
5．5 for循环语句 45
5．5．1 for循环的示例 46
5．5．2 等价于for循环的while循环 46
5．6 if语句 47
5．6．1 if语句的示例 47
5．6．2 else语句 48
5．6．3 elif语句 48
5．7 in和not in运算符 49
5．8 find()字符串方法 50
5．9 符号加密和解密 51
5．9．1 实现“回环” 51
5．9．2 处理符号集以外的符号 52
5．10 显示和复制translated字符串 52
5．11 加密其他字符 53
5．12 小结 53
5．13 习题 54
第6章 用暴力算法破解凯撒密码 56
6．1 破解凯撒密码的源代码 56
6．2 运行凯撒密码破解程序的样例 57
6．3 设置变量 58
6．4 在循环中使用range()方法 58
6．5 解密消息 59
6．6 使用字符串标准化输出密钥及
解密后的信息 60
6．7 小结 61
6．8 习题 62
第7章 通过置换密码实现加密 63
7．1 置换密码如何工作 63
7．1．1 手动加密消息 64
7．1．2 创建加密程序 65
7．2 置换密码加密程序的源代码 66
7．3 置换密码加密程序的示例运行 67
7．4 用def语句创建自定义函数 67
7．4．1 定义用形参接收实参的函数 68
7．4．2 更改仅存在于函数中的形参 68
7．4．3 定义main()函数 69
7．5 以参数形式传递密钥和消息 70
7．6 数据类型：列表 70
7．6．1 对列表中的项重新赋值 71
7．6．2 多级列表 72
7．6．3 对列表使用len()和in运算符 72
7．6．4 用+和*运算符连接和复制列表 73
7．7 置换加密算法 74
7．8 增量赋值运算符 75
7．9 随消息移动currentIndex 75
7．10 join()字符串方法 77
7．11 返回值和返回语句 77
7．11．1 return语句示例 78
7．11．2 返回加密得到的密文 78
7．12 __name__变量 78
7．13 小结 79
7．14 习题 80
第8章 解密置换密码 81
8．1 如何在纸上解密置换密码 81
8．2 置换密码解密程序的源代码 82
8．3 运行置换密码解密程序的样例 84
8．4 导入模块并创建主函数 84
8．5 使用密钥解密消息 84
8．5．1 round()、math．ceil()和math．floor()方法 85
8．5．2 decryptMessage()函数 86
8．5．3 布尔操作符 87
8．5．4 使用and和or操作符往往是一条捷径 89
8．5．5 布尔操作符的运算顺序 90
8．5．6 调整变量column和row的值 90
8．6 调用main()函数 92
8．7 小结 92
8．8 习题 92
第9章 编写测试程序 94
9．1 置换密码测试程序的源代码 94
9．2 运行置换密码测试程序的示例 95
9．3 导入模块 96
9．4 生成伪随机数 96
9．5 创建随机字符串 97
9．5．1 将字符串复制随机次 98
9．5．2 列表变量使用引用 98
9．5．3 传递引用 101
9．5．4 使用copy．deepcopy()复制列表 101
9．5．5 random．shuffle()函数 101
9．5．6 随机打乱字符串 102
9．6 测试消息 102
9．7 检查密码程序是否正常工作并
结束程序 103
9．8 调用main()函数 104
9．9 检验测试程序 104
9．10 小结 104
9．11 习题 105
第 10章 文件的加密与解密 106
10．1 纯文本文件 106
10．2 使用置换密码加密文件的
源代码 107
10．3 运行置换密码加密文件程序的
样例 108
10．4 文件操作 109
10．4．1 打开文件 109
10．4．2 数据写入及文件关闭 109
10．4．3 读取文件 110
10．5 创建main()函数 111
10．6 检查文件是否存在 111
10．6．1 os．path．exists() 方法 111
10．6．2 使用os．path．exists()方法检查
输入的文件是否存在 112
10．7 使用字符串方法令用户的输入
更灵活 112
10．7．1 upper()、lower()和title()字符串
方法 112
10．7．2 startswith()和endswith()方法 113
10．7．3 在程序中使用上述字符串方法 113
10．8 读取作为输入的文件 114
10．9 计算加/解密所需的时间 114
10．9．1 time模块和time．time()方法 114
10．9．2 在程序中使用time．time()方法 115
10．10 将输出写入文件 115
10．11 调用main()函数 116
10．12 小结 116
10．13 习题 117
第 11章 编程检测英语文本 118
11．1 计算机如何理解英语 118
11．2 英语检测模块的源代码 120
11．3 英语检测模块的运行示例 121
11．4 指令和设置常量 121
11．5 字典数据类型 122
11．5．1 字典和列表之间的区别 123
11．5．2 在字典中添加或更改项 123
11．5．3 对字典使用len()函数 124
11．5．4 对字典使用in运算符 124
11．5．5 用字典检索项比用列表更快 125
11．5．6 在字典上使用循环 125
11．6 运行字典文件 125
11．6．1 split()方法 126
11．6．2 将字典文件分割成单个单词 126
11．6．3 返回字典数据 127
11．7 对消息中出现的英文单词进行
计数 127
11．7．1 除数为零错误 128
11．7．2 对匹配上的英语单词进行计数 128
11．7．3 float()、int()和str()函数及整数
除法 129
11．7．4 获得message中英语单词的
比例 129
11．8 删除非字母字符 130
11．8．1 append()列表方法 130
11．8．2 创建字母组成的字符串 131
11．9 检测英语单词 131
11．9．1 使用默认参数 132
11．9．2 计算百分比 132
11．10 小结 134
11．11 习题 134
第 12章 破解置换密码 136
12．1 破解置换密码程序的源代码 136
12．2 运行破解置换密码程序的样例 137
12．3 导入模块 138
12．4 使用三引号的多行字符串 138
12．5 展示破解密文的结果 139
12．6 得到破解后的消息 140
12．6．1 strip()字符串方法 141
12．6．2 应用strip()字符串方法 142
12．6．3 破解失败 142
12．7 调用main()函数 143
12．8 小结 143
12．9 习题 143
第 13章 仿射密码的模运算模块 144
13．1 模运算 144
13．2 模运算符 145
13．3 寻找因子并计算最大公约数 146
13．4 多重赋值 147
13．5 欧几里得算法求最大公约数 148
13．6 理解乘法和仿射密码的工作
原理 149
13．6．1 为乘法密码选择有效的密钥 150
13．6．2 仿射密码加密 150
13．6．3 仿射密码解密 151
13．6．4 计算模逆 152
13．6．5 整数除法运算符 152
13．7 Cryptomath模块的源代码 153
13．8 小结 154
13．9 习题 154
第 14章 编写仿射密码 155
14．1 仿射密码程序的源代码 155
14．2 运行仿射密码程序的样例 157
14．3 引入模块、设置常量并创建
main()函数 157
14．4 计算并验证密钥 158
14．4．1 元组数据类型 159
14．4．2 检验弱密钥 159
14．4．3 仿射密码共有多少种密钥组合 160
14．5 编写加密函数 162
14．6 编写解密函数 163
14．7 生成随机密钥对 164
14．8 调用main()函数 164
14．9 小结 165
14．10 习题 165
第 15章 破解仿射密码 166
15．1 仿射密码破解程序的源代码 166
15．2 仿射密码破解程序的运行示例 167
15．3 创建模块、常量和main()函数 168
15．4 仿射密码破解函数 169
15．4．1 乘方运算符 169
15．4．2 计算可能密钥的总数 169
15．4．3 continue语句 170
15．4．4 使用continue跳过代码 171
15．5 调用main()函数 172
15．6 小结 172
15．7 习题 173
第 16章 编写简单代换密码 174
16．1 简单代换密码的工作原理 174
16．2 简单代换密码程序的源代码 175
16．3 运行简单代换密码程序的样例 177
16．4 引入模块、设置常量、创建
main()函数 177
16．5 sort()列表方法 179
16．6 包裹函数 179
16．7 translateMessage()函数 181
16．7．1 isupper()和islower()字符串
方法 182
16．7．2 用isupper()保留字符原大小写
形式 183
16．8 生成随机密钥 184
16．9 调用main()函数 184
16．10 小结 185
16．11 习题 185
第 17章 破解简单代换密码 186
17．1 使用单词模式进行解密 186
17．1．1 寻找单词模式 187
17．1．2 寻找可能解密字母 187
17．2 破解程序总览 188
17．3 单词模式模块 189
17．4 简单代换破解程序的源代码 190
17．5 简单代换破解程序的运行示例 193
17．6 创建模块和常量 193
17．7 用正则表达式查找字符 194
17．8 创建main()函数 194
17．9 向用户显示破解结果 195
17．10 创建密文映射 195
17．10．1 创建空映射 196
17．10．2 向映射添加字母 196
17．10．3 取两个映射的交集 197
17．10．4 字母映射辅助函数的工作
原理 198
17．10．5 识别映射中已确定的明文
字母 201
17．10．6 测试removeSolvedLetterFrom-
Mapping()函数 203
17．11 hackSimpleSub()函数 203
17．11．1 replace()字符串方法 205
17．11．2 解密消息 205
17．11．3 在交互式运行环境中进行
解密 206
17．12 调用main()函数 207
17．13 小结 208
17．14 习题 208
第 18章 编写维吉尼亚密码 209
18．1 在维吉尼亚密码中使用多字母
密钥 209
18．1．1 密钥越长，维吉尼亚密码越
安全 211
18．1．2 选择一把抗字典攻击的密钥 212
18．2 维吉尼亚密码实现程序的源
代码 212
18．3 运行维吉尼亚密码实现程序的
样例 214
18．4 引入模块、设置常量和创建
main()函数 214
18．5 使用List-Append-Join模式
生成字符串 215
18．6 消息的加密与解密 216
18．7 调用main()函数 218
18．8 小结 218
18．9 习题 219
第 19章 频率分析 220
19．1 分析文本中的字母频率 220
19．2 匹配字母频率 222
19．2．1 计算简单代换密码的频率匹配
分数 222
19．2．2 计算置换密码的频率匹配分数 223
19．2．3 对维吉尼亚密码进行频率分析 224
19．3 计算字母频率的源码 224
19．4 以“ETAOIN”顺序保存字母 226
19．5 对消息中的字母进行计数 227
19．6 获取元组的第 一个成员 228
19．7 将消息中的字母按频率大小
排序 228
19．7．1 getLetterCount()完成字母
计数 229
19．7．2 创建字典存储频率和字母列表 229
19．7．3 按ETAOIN顺序排序字母列表 230
19．7．4 字典列表按频率大小排序 233
19．7．5 创建列表存储排序后的字母 235
19．8 计算消息的频率匹配分数 235
19．9 小结 236
19．10 习题 237
第 20章 破解维吉尼亚密码 238
20．1 运用字典式攻击暴力破解维吉尼亚密码 238
20．2 维吉尼亚密码字典式破解程序的
源代码 238
20．3 维吉尼亚密码字典式破解程序的
运行样例 239
20．4 关于维吉尼亚密码破解程序 240
20．5 运用Kasiski检测确定密钥
长度 240
20．5．1 找到重复序列 240
20．5．2 求得间隔的因子 241
20．5．3 提取字符串的每个第N位
字母 242
20．5．4 使用频率分析法逐个破解
子密钥 243
20．5．5 暴力破解可能密钥 245
20．6 维吉尼亚密码破解程序的源
代码 246
20．7 维吉尼亚密码破解程序的运行
样例 251
20．8 引入模块、设置常量和创建
main()函数 251
20．9 寻找重复序列 252
20．10 求得间隔数的因子 254
20．10．1 通过set()函数去除重复元素 255
20．10．2 移除重复因子并对列表进行
排序 256
20．10．3 找到出现次数最多的因子 256
20．11 找到最可能的密钥长度 258
20．11．1 extend()列表方法 258
20．11．2 扩展repeatedSeqSpacings
字典 259
20．11．3 从factorByCount中获取因子 259
20．12 找到由相同子密钥加密的
字母 260
20．13 尝试用可能的密钥长度进行
解密 261
20．13．1 print()的end关键字参数 263
20．13．2 以沉默模式执行程序或打印
信息 263
20．13．3 确定子密钥的可能组合 264
20．13．4 以正确的大小写形式打印解密
后的文本 267
20．14 返回破解后的消息 268
20．14．1 找到可能密钥后跳出循环 268
20．14．2 用其他所有可能密钥长度进行
暴力破解 269
20．15 调用main()函数 269
20．16 改变破解程序中的常量 269
20．17 小结 270
20．18 习题 271
第 21章 一次一密 272
21．1 不可破解的一次一密 272
21．1．1 密钥长度等于消息长度 272
21．1．2 使密钥真正随机 274
21．1．3 避免两次一密 274
21．2 为什么两次一密是维吉尼亚
密码 275
21．3 小结 276
21．4 习题 276
第 22章 素数的查找与生成 277
22．1 什么是素数 277
22．2 素数模块的源代码 279
22．3 素数模块的调用样例 281
22．4 试除法的原理 281
22．5 实现试除法检测 283
22．6 埃拉托斯特尼筛法 283
22．7 使用埃拉托斯特尼筛法生成
素数 285
22．8 Rabin-Miller素性检测算法 286
22．9 寻找大素数 287
22．10 生成大素数 288
22．11 小结 289
22．12 习题 289
第 23章 为公钥密码生成密钥 290
23．1 公钥密码体制 290
23．2 认证的问题 291
23．2．1 数字签名 292
23．2．2 谨防MITM攻击 293
23．3 生成公钥和私钥的步骤 293
23．4 公钥生成程序的源代码 294
23．5 公钥生成程序的示例运行 295
23．6 创建main()函数 296
23．7 通过generateKey()函数生成
密钥 297
23．7．1 计算e的值 297
23．7．2 计算d的值 298
23．7．3 返回公私钥对 298
23．8 通过makeKeyFiles()函数创建
密钥文件 299
23．9 调用main()函数 300
23．10 混合密码体制 301
23．11 小结 301
23．12 习题 301
第 24章 编写公钥密码算法 302
24．1 公钥密码算法的实现原理 302
24．1．1 分组的创建 302
24．1．2 字符串转换为分组 303
24．1．3 公钥密码算法进行加解密的
数学原理 305
24．1．4 分组转换为字符串 306
24．1．5 为什么不能破解公钥密码 307
24．2 实现公钥密码算法的源代码 309
24．3 公钥密码算法实现程序的运行
样例 312
24．4 程序的设置 313
24．5 程序如何判断加解密 314
24．6 通过getBlockFromText()函数
将字符串转换为分组 315
24．6．1 min()函数及max()函数 315
24．6．2 将分组存储在blockInt中 316
24．7 使用getTextFromBlocks()进行
解密 317
24．7．1 使用insert()列表方法 318

24．7．2 将消息列表合并为一个字符串 318
24．8 编写encryptMessage()函数 319
24．9 编写decryptMessage()函数 319
24．10 从密钥文件中读取公钥和
私钥 320
24．11 将加密的内容写入文件 321
24．12 解密文件中的信息 323
24．13 调用main()函数 324
24．14 小结 324
附录 调试Python代码 326