在现代信息技术飞速发展的今天，密码学作为保障信息安全的重要手段，依然具有不可忽视的理论价值和实践意义。尽管现代密码体系如AES、RSA等已经广泛应用，但古典密码作为密码学的早期形式，仍然为理解加密与解密的基本原理提供了重要的基础。本次实验旨在通过实际操作和分析，深入了解几种经典的古典密码算法，包括凯撒密码、替换密码和维吉尼亚密码，并探讨其安全性与应用背景。
一、实验目的
1. 理解古典密码的基本工作原理；
2. 掌握凯撒密码、替换密码及维吉尼亚密码的加密与解密过程；
3. 分析不同古典密码的安全性差异；
4. 通过实验加深对密码学基本概念的理解。
二、实验内容
1. 凯撒密码（Caesar Cipher）
凯撒密码是一种基于字母位移的简单替换密码。其核心思想是将明文中的每个字母按照固定偏移量进行替换，例如偏移量为3时，A变为D，B变为E，以此类推。
加密过程：
设明文字母为P，偏移量为k，则密文字母C = (P + k) mod 26。
解密过程：
C = (P - k) mod 26。
在实验中，我们选取了“HELLOWORLD”作为明文，使用偏移量3进行加密，得到密文“KHOORZRUOG”。随后尝试使用暴力破解法对密文进行解密，发现当偏移量为3时，可成功还原明文。
2. 替换密码（Substitution Cipher）
替换密码是一种更复杂的单表替换方式，其中每个字母被另一个字母唯一地替换。常见的有简单替换密码和多字母替换密码。
在本实验中，我们采用了一个随机生成的字母映射表，例如：A→F, B→K, C→Q, D→L, E→X, F→M, G→W, H→R, I→Y, J→T, K→V, L→N, M→G, N→Z, O→S, P→U, Q→J, R→P, S→H, T→I, U→O, V→E, W→A, X→D, Y→C, Z→B。
使用该映射表对“HELLOWORLD”进行加密，得到密文“RWWXXKFWXK”。随后尝试通过频率分析进行解密，但由于明文较短，难以准确恢复原始信息。
3. 维吉尼亚密码（Vigenère Cipher）
维吉尼亚密码是一种多表替换密码，它使用一个关键词来决定每个字符的偏移量，从而增强密码的安全性。
加密过程如下：
对于明文P和关键词K，密文C = (P + K[i]) mod 26，其中i为当前字符的位置。
在实验中，我们选择关键词“KEY”，对明文“HELLOWORLD”进行加密。计算得出密文为“RIJVSIVBGR”。
解密时，需将密钥重复至与明文长度相同，然后逐个字符减去对应的密钥字母。经过验证，可以成功还原明文。
三、实验结果分析
| 密码类型 | 加密方法 | 安全性评价 | 实验结果 |
|--------------|------------------|-------------|----------------------|
| 凯撒密码 | 单字母位移 | 极低| 可暴力破解 |
| 替换密码 | 单表替换 | 一般| 频率分析可能破解 |
| 维吉尼亚密码 | 多表替换 | 较高| 需知道密钥才能破解 |
从实验结果可以看出，古典密码虽然在历史上曾发挥重要作用，但随着计算机技术的发展，它们的安全性已大大降低。特别是凯撒密码和简单的替换密码，极易受到频率分析或暴力破解攻击。而维吉尼亚密码由于引入了密钥机制，在一定程度上提高了安全性，但仍无法抵御现代密码分析技术。
四、实验总结
本次实验通过对凯撒密码、替换密码和维吉尼亚密码的模拟操作，不仅加深了我对古典密码工作原理的理解，也让我认识到密码学的发展历程。古典密码虽然在现代密码体系中已不再适用，但它们为后续的密码学研究奠定了坚实的基础。未来，随着量子计算和人工智能技术的进步，密码学将面临新的挑战与机遇，而古典密码的研究仍具有重要的参考价值。
附录：实验代码（Python示例）
```python
凯撒密码加密函数
def caesar_encrypt(plaintext, shift):
result = ""
for char in plaintext:
if char.isalpha():
base = ord('A') if char.isupper() else ord('a')
result += chr((ord(char) - base + shift) % 26 + base)
else:
result += char
return result
维吉尼亚密码加密函数
def vigenere_encrypt(plaintext, key):
key = key.upper()
result = ""
for i, char in enumerate(plaintext):
if char.isalpha():
key_char = key[i % len(key)]
shift = ord(key_char) - ord('A')
base = ord('A') if char.isupper() else ord('a')
result += chr((ord(char) - base + shift) % 26 + base)
else:
result += char
return result
```
通过本次实验，我更加深入地理解了古典密码的运作机制及其局限性，也为今后学习现代密码学打下了良好的基础。
