Playfair Cipher Program in Java

Playfair 密码由 **Charles Whetstone** 于 1889 年提出。但以他的朋友 **Lord Lyon Playfair** 的名字命名，因为他推广了它的使用。它是最受欢迎的对称加密技术之一，属于替换密码。它是一种一次加密多个字母的编码过程。在本节中，我们将讨论 **Playfair 密码**及其在 **Java 程序**中的实现。

Playfair 密码

Playfair 密码是一种用于加密或编码消息的加密算法。它与传统密码相同。唯一的区别是它加密的是一个 **二字母组**（两个字母的对），而不是单个字母。

它首先创建一个 5*5 矩阵的密钥表。该矩阵包含作为明文加密密钥的字母。请注意，任何字母都不应重复。另一点需要注意的是，有 26 个字母，我们只有 25 个方块可以放入字母。因此，有一个多余的字母，所以一个字母将被省略（通常是 J）。但是，如果明文中包含 J，则 **J** 被替换为 **I**。这意味着将 I 和 J 视为相同的字母。

由于 Playfair 密码是 **逐二字母组** 加密消息，因此 Playfair 密码是 **二字母组替换密码** 的一个例子。

在继续之前，让我们了解 Playfair 密码中使用的术语。

术语

• 明文：是要加密的原始消息。也称为 **消息**。
• 密文：是加密后的消息。
• 密码：是将明文转换为密文的算法。
• 密钥：用于加密或解密明文的密钥。只有发送方和接收方知道。它按字符顺序填入矩阵，称为 **密钥表** 或 **密钥矩阵**。
• 加密：将明文转换为密文的过程称为 **加密**。
• 解密：将密文还原为明文的过程称为 **解密**。
• 密码分析：研究在不知道密钥的情况下解密密文的方法和原理。

Playfair 密码的优点

1. 如果仔细分析该算法，我们会发现每个阶段都会产生不同的密文，从而给密码分析者带来更多麻烦。
2. 暴力攻击不会影响它。
3. 无法进行密码分析（在不知道密钥的情况下解码密文的过程）。
4. 克服了简单 Playfair 方形密码的限制。
5. 易于进行替换。

Playfair 密码的局限性

Playfair 密码的局限性如下：

• 仅支持 25 个字母。
• 不支持数字字符。
• 仅支持大写或小写字母。
• 禁止使用特殊字符（如空格、换行符、标点符号等）。
• 除了英语，不支持其他语言。
• 也不支持媒体文件的加密。

Playfair 密码加密规则

1. 首先，将明文分成 **二字母组**（两个字母的对）。如果明文的字母数量为奇数，则在明文末尾附加字母 **Z**。这样明文就变成 **偶数** 了。例如，明文 **MANGO** 有五个字母。因此，无法形成二字母组。由于我们会附加字母 **Z** 在明文末尾，即 **MANGOZ**。

2. 之后，将明文分成 **二字母组**（两个字母的对）。如果任何字母出现两次（并排），则在第二个字母的位置放入 **X**。假设明文是 **COMMUNICATE**，那么它的二字母组就是 **CO MX MU NI CA TE**。同样，明文 **JAZZ** 的二字母组将是 **JA ZX ZX**，明文 **GREET** 的二字母组将是 **GR EX ET**。

3. 要确定密文（加密）文本，首先，构建一个 5*5 的密钥矩阵或密钥表，并按照以下说明用字母填充它：

• 按照从左到右的顺序，用给定关键字（**ATHENS**）的字母填充第一行。如果关键字有重复字母（如果有），则跳过它们。这意味着一个字母只考虑一次。之后，按字母顺序填充其余字母。让我们为关键字 **ATHENS** 创建一个 5*5 的密钥矩阵。

请注意，上述矩阵中没有重复的字母。第一行（绿色）的字母代表关键字，其余字母按字母顺序排列。

4. 可能有以下三种情况：

i) 如果一对字母（二字母组）出现在同一行

在这种情况下，将二字母组中的每个字母替换为右侧的字母。如果右侧没有字母，则考虑同一行的第一个字母作为右侧字母。假设 **Z** 是一个需要右侧字母的字母，在这种情况下，**T** 将是 Z 的右侧。

ii) 如果一对字母（二字母组）出现在同一列

在这种情况下，将二字母组中的每个字母替换为它们下方的字母。如果没有下方字母，则绕回到同一列的顶部。假设 **W** 是一个需要下方字母的字母，在这种情况下，**V** 将是 W 的下方。

iii) 如果一对字母（二字母组）出现在不同的行和不同的列

在这种情况下，从 5*5 矩阵中选择一个 3*3 矩阵，使得字母对出现在 3*3 矩阵中。因为它们占据了矩阵内正方形的两个相对角。另一个角将是给定二字母组的密文。

换句话说，我们可以说 H 和 Y 的交点将是第一个字母的密文，

假设二字母组是 **HY**，我们需要找到它的密文。我们注意到 H 和 Y 都出现在不同的行和不同的列。在这种情况下，我们需要选择一个 3*3 矩阵，以便 H 和 Y 都出现在 3*3 矩阵中（用黄色突出显示）。现在，我们将仅考虑选定的矩阵来查找密文。

现在要找到 HY 的密文，我们将考虑与 HY **相对** 的对角线，即 **LU**。因此，**H** 的密文将是 **L**，**Y** 的密文将是 **U**。

注意：二字母组内的字母顺序不重要。

Playfair 密码解密

解密过程与加密相同，但步骤是 **反向** 应用的。解密时，密码是对称的（沿行向左移动，沿列向上移动）。文本接收者拥有相同的密钥，并且可以创建用于解密消息的相同密钥表。

让我们看一个 Playfair 密码的例子。

Playfair 密码示例

假设明文是 **COMMUNICATION**，用于加密明文的密钥是 **COMPUTER**。密钥可以是任何单词或短语。让我们加密消息 **COMMUNICATION**。

1. 首先，将明文分成二字母组（根据规则 2），即 **CO MX MU NI CA TE**。

2. 构建一个 5*5 密钥矩阵（根据规则 3）。在本例中，密钥是 **COMPUTER**。

3. 现在，我们将逐对遍历密钥矩阵，并找到对应对的加密文本。

• 第一个二字母组是 **CO**。这对字母出现在同一行。根据 **规则 4(i)，CO** 被加密为 **OM**。
• 第二个二字母组是 **MX**。这对字母出现在同一列。根据 **规则 4(ii)，MX** 被加密为 **RM**。
• 第三个二字母组是 **MU**。这对字母出现在同一行。根据 **规则 4(i)，MU** 被加密为 **PC**。
• 第四个二字母组是 **NI**。这对字母出现在不同的行和不同的列。根据 **规则 4(iii)，NI** 被加密为 **SG**。
• 第五个二字母组是 **CA**。这对字母出现在不同的行和不同的列。根据 **规则 4(iii)，CA** 被加密为 **PT**。
• 第六个二字母组是 **TE**。这对字母出现在同一行。根据 **规则 4(i)，TE** 被加密为 **ER**。

因此，明文 **COMMUNICATE** 被加密为 **OMRMPCSGPTER**。

让我们在 Java 程序中实现上述逻辑。

Playfair Java 程序

PlayfairCipher.java

输出 1

输出 2

输出 3

与单字母替换密码相比，Playfair 密码（多字母替换密码）更安全。因为在单字母替换密码中，攻击者只需搜索 26 个字母。而在多字母替换密码中，攻击者必须搜索 26²（676）个二字母组。攻击者仍然可以破解单字母替换密码。尽管频率分析更加困难，并且使用了现代计算技术。因此，对 Playfair 密码进行双重替换和转置可以大大提高其安全性。