Python字符映射實現凱撒加密

牟曉東

Python提供了比較豐富的字符串常用方法，其中的maketrance（）和translate（）是一對專門用來生成字符映射表和根據映射表進行字符轉換的方法，可以同時處理多個不同的字符，經常應用于字符串的加密和解密。

1.字符映射加密的簡單應用舉例

maketrance（）方法一般用于創建字符映射的轉換表，兩個參數為長度一致的字符串，作用是將前面字符串中的字符轉換成后面字符串中的對應字符;而translate（）方法則是配合maketrance（）方法實現字符串內容的替換。在此編寫一個簡單的英文加密小程序。

首先建立變量table并賦值為“‘.maketrans（‘abcdefg，‘nmlkjih）”，作用是利用建立maketrance（）方法來建立字符映射表，把第一個參數“abcdefg”中的各個字符依次替換為“nmlkjih”中的各個字符，即a映射為n、b映射為m、c映射為l……接著建立變量s，其值為使用input獲取用戶從鍵盤輸入的一句英文;然后建立變量miwen，其值為“s.translate（table）”，根據之前使用maketrance（）方法創建的table映射表完成對應字符的一一映射;最后，使用print語句輸出變量miwen，即“加密后的密文”。

運行程序，按照提示輸入經典測試句：“The quick brown fox jumps over a lazy dog.”（這句話包含全部字母），得到加密后的密文結果：“Thj quilk mrown iox jumps ovjr n lnzy koh.”（如圖1）。原句中的“abcdefg”七個字母都被分別替換為“nmlkjih”，實現了加密。

2.字符映射的“非完全”解密法

既然利用maketrance（）方法的加密是將兩個字符串進行映射替換，那么理論上可以將兩個字符串位置互換來實現解密。即table變量的值變成“‘.maketrans（‘nmlkjih，‘abcdefg）”，其他的內容基本不變，只修改一下對應的提示信息。在“請輸入待解密的一句英文：”提示后面輸入剛剛得到的加密句子：“Thj quilk mrown iox jumps ovjr n lnzy koh.”，回車后得到解密后的原文是：“Tge qufcd browa fox eubps over a cazy dog.”，并未還原最初的經典測試句子（如圖2）。那么究竟錯出在哪兒呢？

那是因為無論是加密還是解密時，使用maketrance（）方法建立的字符映射表并不全面，沒有將所有的大小寫英文字母都進行映射，只是建立了7個字母之間的相互映射（即加密與解密）。解密時，程序會機械地將密文中的所有“nmlkjih”這七個字母還原為“abcdefg”，但密文中有些“nmlkjih”最初并不是由“abcdefg”加密而來的。想要實現真正的解密，必須在加密時對所有的大小寫英文字母進行逐一不重復的映射替換，其實凱撒加密就是一種通過字母移位的方式來加密信息的方法。

3.字符映射實現凱撒加密

首先使用“import string”語句導入string庫，接著使用變量s來接收用戶從鍵盤輸入的待加密的英文。變量n是用來接收凱撒加密的移位要求，因為有26個英文字母，所以加密的有效移位數字共有25個（1-25）;特別注意input語句接收的是字符串型數據，必須通過int來轉換為整數。

然后建立lower和upper兩個變量，其值分別為26個英文小寫字母（string.ascii_lowercase）和大寫字母（string.ascii_uppercase），這是string庫所提供的常量;同樣，變量before的值為“string.ascii_letters”，也是string庫中已經定義好的常量值，意思是所有的大小寫英文字母。變量after則是利用了Python的“切片”操作，其中的“lower[n：] + lower[：n]”是完成英文小寫字母的循環移位，而“upper[n：] + upper[：n]”則是大寫字母的循環移位，移位的步長即用戶之前從鍵盤上輸入的數值n。

建立變量table，其值為“‘.maketrans（before，after）”，即包括所有大小寫在內的英文字母完整映射表。最后，通過print語句輸出凱撒加密后的密文信息“s.translate（table）”。

運行程序，按照提示仍然輸入那句經典測試句子。回車后，提示輸入加密的移位數字，輸入“6”，得到了加密后的密文“Znk waoiq hxuct lud pasvy ubkx g rgfe jum.”（如圖3）。

4.凱撒加密的解密方法

由于程序中已經包括了所有的英文大小寫字母，因此簡單地修改table變量的值即可實現凱撒密碼的解密，也就是將maketrance（）方法的before和after兩個參數進行位置互換即可。運行解密程序，輸入剛剛加密后的結果，收到“解密的移位數字”，此時必須要輸入之前加密時的移位數字“6”，才能得到正確的原文信息。如果輸入其他的數字，比如“11”，就無法正確還原出之前未加密的原文，得到的是“Ocz lpdxf wmjri ajs ephkn jqzm v gvut yjb.”。