五邑大学本科生实验指导书
《密码学基础》实验指导书
课程名称：密码学基础
课程编号：
课程性质：专业选修课
课程总学时：48
实验总学时：8
任课教师：***
一、实验教学目的和基本要求
《密码学基础》是计算科学与技术本科专业开设的一门专业选修课，本课程的主要目标是让学生学习和了解密码学的一些基本概念，理解和掌握一些常用密码算法，包括加密和解密、认证理论及算法、安全计算原理及算法，学会进行效率分析和安全性分析。密码学是信息安全的核心技术，是实现安全通信的基础，所以实验和理论一样都很重要，实验能够让学生通过多个密码算法的程序设计实现，更好地掌握密码算法设计的机理和方法，熟悉网络攻击和防范方法。同时，基于密码系统设计的基本方法和基本步骤，帮助学生理解密码学在信息安全中的地位，并引导了解密码学领域及信息安全领域的新进展、新方向。具体要求如下：
1．要求学生在上机前对本次实验的原理、内容、方案进行充分准备。
2．每次实验必须按要求的格式撰写《实验报告》，内容大体包括：实验目的、实验内容、实验及算法原理、程序清单、结果分析、总结。
3．实验成绩作为平时成绩的一部分。
二、实验内容及学时分配
实验一 古典密码学实验（2学时）
一、实验目的
通过实现简单的古典密码算法，理解密码学的相关概念如明文（plaintext）、密文（ciphertext）、加密密钥(encryption key)、解密密钥（decryption key）、加密算法(encryption algorithm)、解密算法(decryption algorithm)等。
二、实验内容
1）用C\C++语言实现仿射变换（Affine）加/解密算法；2）用C\C++语言实现统计26个英文字母出现的频率的程序；3）利用仿射变换加/解密程序对一段较长的英文文章进行加密，再利用统计软件对明文和密文中字母出现的频率进行统计并作对比，观察有什么规律。
放射变换：
加密：
解密：
其中a, b为密钥，，且gcd(a, 26)=1
实验要求：加/解密程序对任意满足条件的a、b都能够处理。
三、实验步骤
(1)统计26个英文字母出现的频率的程序
#include<iostream>
#include<fstream>
#include<vector>
using namespace std;
void main(){
ifstream in("a.txt");
vector<int> s;
vector<int> n(26,0);
for(int i=0;i<26;++i)
s.push_back(97+i);
for(char x;in>>x; )
for(int i=0;i<26;++i)
if(int(x)==s[i]){
n[i]++;}
float sum=0.0;
for(int j=0;j<26;++j)
sum+=n[j];
cout<<"统计结果如下："<<endl;
for(int k=0;k<26;++k){
// n[k]=n[k]/sum;
cout<<' '<<char(k+97)<<"出现的概率为："<<n[k]/sum<<endl;
//cout<<n[k]<<endl;
}
（2）仿射变换加/解密程序对一段较长的英文文章进行加密
#include <stdafx.h>
#include<iostream>
#include<fstream>
#include<vector>
using namespace std;
//////////判断两个数是不是互素（辗转相除）////////
bool gcd(int a){
int f=26,g,r;
g=a;
do{
r=f%g;
f=g;
g=r;
}while(r);
if(f==1)
return 1;
else
return 0;
}
//////////////////求逆//////
int inv(int a){
int x,i;
for(i=1;i<=30;++i)
if((26*i+1)%a==0)
{
x=(26*i+1)/a;break;
}
return x;
}//////////////////////////////////////////////////////////
void main(){
printf怎么加endl cout<<"请你选择操作密码的方式:"<<endl<<" 0-表示加密 "<<endl<<" 1-表示解密 "<<endl;
int z;
cin>>z;
if(z==0||z==1)
{
//////////////////////////////////////////
cout<<"请输入密钥a和b："<<endl;
int a,b;
cin>>a>>b;
if((a<1||a>25)||(b<0||b>25))
cout<<"a，b的输入范围有错！"<<endl;
else
if(gcd(a)==0)
cout<<"密钥a有误，与26不互素"<<endl;
else
{
if(z==0)////加密算法
{
ifstream in("a.txt");
ofstream out("b.txt");
vector<int> s;
for(char x;in>>x; )
s.push_back(int(x));
for(int i=0;i<s.size();++i)
{
s[i]=(a*(s[i]-97)+b)%26;
out<<char(s[i]+97);
}
cout<<endl;
cout<<"加密成功！明文请见\"b.txt\""<<endl;
}
else////解密算法
{
ifstream in("b.txt");
ofstream out("a.txt");
vector<int> s;
for(char x;in>>x; )
s.push_back(int(x));
for(int i=0;i<s.size();++i)
{
s[i]=inv(a)*(s[i]-97-b+26)%26;
out<<char(s[i]+97);
}out<<endl;cout<<"解密成功！密文请见\"a.txt\""<<endl;
}
}
////////////////////////////////////////
}
else
cout<<"所选操作无效！"<<endl;
}
四、实验结果及分析
该程序是对文件进行操作，结果如下：
(1)统计26个英文字母出现的频率的程序
(2)仿射变换加/解密程序对一段较长的英文文章进行加密
下面是文本内容：
实验二 AES密码的实现（4学时）
一、实验目的
通过实现AES密码算法，理解对称密码机制。
二、实验内容
1）在深入理解AES加密/解密算法理论的基础上，设计一个AES加密/解密软件系统；2）完成一个明文分组的加解密，明文和密钥是十六进制，长度都为64比特（16个16进制数），输入明文和密钥，输出密文，进行加密后，能够进行正确的解密；3） 程序运行时，要求输出每一轮使用的密钥，以及每一轮加密或解密之后的16进制表示的值；4） 要求提供所设计系统的报告及完整的软件。
三、实验步骤
1.字节替换
SubBytes（）变换是一个基于S盒的非线性置换，它用于将输入或中间态的每一个字节通过一个简单的查表操作，将其映射为另一个字节。映射方法是把输入字节的高四位作为S盒的行值，低四位作为列值，然后取出S盒中对应的行和列的元素作为输出。
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