hill密码（希尔密码）

短命女 2023-06-24 06:30 103阅读 0赞

## 简述 ##

希尔密码是利用矩阵进行加密的一种加密算法，其本质是一种多表代换密码。

*  **百科：**  
    希尔密码是运用基本矩阵论原理的替换密码，由Lester S. Hill在1929年发明。  
    每个字母当作26进制数字：A=0, B=1, C=2… 一串字母当成n维向量，跟一个n×n的矩阵相乘，再将得出的结果模26。  
    注意用作加密的矩阵（即密匙）在 必须是可逆的，否则就不可能解码。只有矩阵的行列式和26互质，才是可逆的。

希尔密码由于采用矩阵运算加密，因此在相同的明文加密时，可能会出现不同的密文，因此可以很好的抵御**字母频率攻击法**。

## 加解密 ##

*  **加密：**

1、定义一个矩阵a（须存在逆矩阵）作为加密密钥：

> \[1，2，1\]  
> \[0，2，1\]  
> \[1，0，2\]

2、将需要加密的明文字母转换为其对应的字母表数字（1-a，2-b……）；  
3、将转换后的明文数字序列按照密钥矩阵的阶数进行分组（如本次为3个字符一组）；  
4、每组数字序列和密钥矩阵进行矩阵的乘法运算（1x3 矩阵乘以 3x3矩阵），结果即为**密文数字序列**；  
5、可将密文数字序列转换为其对应字母，即为**密文字符串**。

*  **解密：**

解密流程与加密相同，唯一不同之处在于：**需先求出加密密钥的逆矩阵**

在做矩阵相成时，用密文分组乘以逆矩阵，结果即为**明文**

## 代码实现 ##

#!/usr/bin/python3.7
    # -*- coding: utf-8 -*-
    # @Time : 2019/12/11 14:53
    # @Author : SystemDefenser
    # @Email : mrwx1116@163.com
    # @Software: PyCharm
    
    from numpy import linalg
    
    # 输入矩阵并判断是否存在逆矩阵
    def inputMatrix():
        while True:
            # 输入一行、作为行列式的阶数和行列式的第一行
            rank = list(input("").split())
            matrix = [[0] * len(rank) for i in range(len(rank))]
            matrix[0] = rank
            # 输入行列式剩余数据
            for i in range(1, len(matrix)):
                matrix[i] = list(input("").split())
                # 判断每一行输入是否合法
                if len(matrix[i]) != len(matrix):
                    print("输入有误，重新输入。")
                    continue
            # 转换字符型为整型
            for i in range(len(matrix)):
                matrix[i] = list(map(lambda x: int(x), matrix[i]))
            # 判断是否存在逆矩阵
            if not judgeInverse(matrix):
                print("矩阵不存在逆矩阵，重新输入。")
                continue
            return matrix
    
    # 判断是否存在逆元
    def judgeInverse(matrix):
        try:
            linalg.inv(matrix)
        except:
            return False
        return True
    
    # 生成密钥(矩阵的逆矩阵)
    def createMatrixInverse(matrix):
        try:
            matrix_inverse = linalg.inv(matrix)
        except:
            return -1
        return matrix_inverse
    
    # 生成消息分组
    def createMassageList(massage, matrix):
        matrixRank = len(matrix)
        massageList = []
        # 扩充消息序列并创建分组
        while len(massage) % matrixRank != 0:
            massage += " "
        for i in range(1, len(massage) + 1, matrixRank):
            massageList.append(massage[i-1:i + matrixRank - 1])
        return massageList
    
    # 字母序列转化为数字
    def letterToDigit(massageList):
        massageDigitList = []  # 替换后的数字列表
        letterList = []  # 字母列表
        for i in range(ord("a"), ord("z") + 1):
            letterList.append(chr(i))
        for i in range(10):
            letterList.append(str(i))
        # 添加空格，解决分组填充问题
        letterList.append(" ")
        # 替换字母为数字
        for massage in massageList:
            listTmp = []
            for i in range(len(massage)):
                listTmp.append(letterList.index(massage[i]))
            massageDigitList.append(listTmp)
        return massageDigitList
    
    # 数字序列转化为字母
    def digitToLetter(massageList):
        massageLetterList = []  # 还原后的字母列表
        letterList = []
        for i in range(ord("a"), ord("z") + 1):
            letterList.append(chr(i))
        for i in range(10):
            letterList.append(str(i))
        letterList.append(" ")
        # 替换数字为字母
        for massage in massageList:
            massageLetterList.append(letterList[massage % 37])
        return massageLetterList
    
    # 加密
    def encrypt(massage, matrix):
        ciphertextList = [] # 加密结果列表
        massageList = createMassageList(massage, matrix)
        massageDigitList = letterToDigit(massageList)
        # 矩阵相乘
        for massageDigit in massageDigitList:
            for i in range(len(massageDigit)):
                sum = 0
                for j in range(len(massageDigit)):
                    sum += massageDigit[j] * matrix[j][i % len(matrix)]
                ciphertextList.append(sum % 37)
        return ciphertextList
    
    # 解密
    def decrypt(massage, matrix):
        plaintextList = []  # 解密结果列表
        matrix_inverse = createMatrixInverse(matrix)
        massageList = createMassageList(massage, matrix)
        # 矩阵相乘
        for msg in massageList:
            for i in range(len(msg)):
                sum = 0
                for j in range(len(msg)):
                    sum += msg[j] * matrix_inverse[j][i % len(matrix)]
                plaintextList.append(sum % 37)
        # 浮点型转换为整型(采用四舍五入——round())
        plaintextList = list(map(lambda x: int(round(x)), plaintextList))
        plaintextList = digitToLetter(plaintextList)    # 数字转换为字母
        plaintext = ""
        for item in plaintextList:
            plaintext += item
        return plaintext
    
    if __name__ == "__main__":
        while True:
            print("—————希尔密码—————")
            choice = input("1、加密 2、解密\n请选择：")
            if choice == "1":
                print("输入矩阵：")
                matrix = inputMatrix()
                massage = input("输入msg：")
                massageList = createMassageList(massage, matrix)
                ciphertextList = encrypt(massage, matrix)
                print("加密结果：", ciphertextList)
            elif choice == "2":
                massageList = list(map(int, list(input("输入密文序列：").split(","))))
                print("输入矩阵：")
                matrix = inputMatrix()
                matrix_inverse = createMatrixInverse(matrix)
                print("逆矩阵：")
                for item in matrix_inverse:
                    print(item)
                plaintext = decrypt(massageList, matrix)
                print("解密结果：", plaintext)

其中，求逆矩阵部分未能手算，调用了numpy库中的linalg函数，惭愧………………

## 加密测试 ##

—————希尔密码—————
    1、加密        2、解密
    请选择：1
    输入矩阵：
    1 0 1 1
    0 1 0 1
    1 1 0 0
    1 1 0 1
    输入msg：systemdefenser
    加密结果： [18, 24, 18, 24, 11, 19, 4, 20, 36, 35, 5, 27, 2, 15, 4, 20]
    —————希尔密码—————
    1、加密        2、解密
    请选择：2
    输入密文序列：18, 24, 18, 24, 11, 19, 4, 20, 36, 35, 5, 27, 2, 15, 4, 20
    输入矩阵：
    1 0 1 1
    0 1 0 1
    1 1 0 0
    1 1 0 1
    逆矩阵：
    [ 0. -1.  0.  1.]
    [ 0.  1.  1. -1.]
    [ 1.  1.  1. -2.]
    [ 0.  0. -1.  1.]
    解密结果： systemdefenser

*  **加密：**

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

*  **解密：**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzOTY4MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## 部分代码详解 ##

*  **输入矩阵部分**

代码片段：

while True:
            # 输入一行、作为行列式的阶数和行列式的第一行
            rank = list(input("").split())
            matrix = [[0] * len(rank) for i in range(len(rank))]
            matrix[0] = rank
            # 输入行列式剩余数据
            for i in range(1, len(matrix)):
                matrix[i] = list(input("").split())
                # 判断每一行输入是否合法
                if len(matrix[i]) != len(matrix):
                    print("输入有误，重新输入。")
                    continue

该片段位于 inputMatrix() 函数中。

输入矩阵部分未让用户先定义阶数，而是通过用户输入的矩阵第一行，来决定本次迷药矩阵的阶数，并且不断进行合法判断。

*  **解密部分**

代码片段：

# 浮点型转换为整型(采用四舍五入——round())
        plaintextList = list(map(lambda x: int(round(x)), plaintextList))
        plaintextList = digitToLetter(plaintextList)    # 数字转换为字母

该片段位于 decrypt(massage, matrix) 函数中。

由于逆矩阵存在不可约分或整除的小数，因此在此处采用四舍五入round(x) 的方法不严谨地解决此问题。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzOTY4MDgw_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191221143039537.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQzOTY4MDgw,size_16,color_FFFFFF,t_70
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