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现代密码学—密码学基本编码实践 16进制向base64编码转换 等长16进制字符串异或 找出密钥并破解密文 python
作者：不正经 | 2024-03-12 23:20:03
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现代密码学—密码学基本编码实践 16进制向base64编码转换 等长16进制字符串异或 找出密钥并破解密文 python
实验地点：E楼III区503 实验时间：11.17
一、实验室名称：攻防实验室
二、实验项目名称：密码学基本编码实践
三、实验学时：6学时
四、实验原理：
Base64是网络上最常见的用于传输8Bit字节码的编码方式之一，它是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的方法，可用于在HTTP环境下传递较长的标识信息。
Base64要求把每三个8Bit的字节转换为四个6Bit的字节（38 = 46 = 24），然后把6Bit再添两位高位0，组成四个8Bit的字节，也就是说，转换后的字符串理论上将要比原来的长1/3。
五、实验目的：
1、学习密码学的基本编码方法，包括利用python库函数进行编码、解码，异或编码等；
2、理解明文、密文、密钥等概念，并对简单的密文进行破解。
六、实验内容：
1．Convert hex to base64 （编程将十六进制的字符串转换成base64编码）：
编程将如下的十六进制字符串:
49276d206b696c6c696e6720796f757220627261696e206c696b65206120706f69736f6e6f7573206d757368726f6f6d
- 1
转换成如下的base64编码的字符串:
SSdtIGtpbGxpbmcgeW91ciBicmFpbiBsaWtlIGEgcG9pc29ub3VzIG11c2hyb29t
- 1
注意：之后的实验会用到本题的程序。
2．Fixed XOR （将两个等长的十六进制字符串进行异或）。
编程实现两个等长的十六进制字符串的异或，如果你的程序能正确运行，就可以将如下的前面两个字符串异或成第三个字符串：
1c0111001f010100061a024b53535009181c
- 1
… after hex decoding, and when XOR’d against:
686974207468652062756c6c277320657965
… should produce:
746865206b696420646f6e277420706c6179
- 1
3．Single-byte XOR cipher （一个字符串被单字符加密，请找出该单字符）
如下是一个被单字符异或后得到的十六进制的字符串，请找出该单字符（即密钥），并解密该密文。
1b37373331363f78151b7f2b783431333d78397828372d363c78373e783a393b3736
- 1
提示：利用英语字母频率，穷举法。
4．如下密文中包含一个含60个字符的字符串是利用单字符异或加密得到的，请找出该字符串。
密文如下：
0e3647e8592d35514a081243582536ed3de6734059001e3f535ce6271032 334b041de124f73c18011a50e608097ac308ecee501337ec3e100854201d 40e127f51c10031d0133590b1e490f3514e05a54143d08222c2a4071e351 45440b171d5c1b21342e021c3a0eee7373215c4024f0eb733cf006e2040c 22015e420b07ef21164d5935e82338452f42282c1836e42536284c450de3 043b452e0268e7eb005a080b360f0642e6e342005217ef04a42f3e43113d 581e0829214202063d70030845e5301f5a5212ed0818e22f120b211b171b ea0b342957394717132307133f143a1357e9ed1f5023034147465c052616 0c300b355c2051373a051851ee154a023723414c023a08171e1b4f17595e 550c3e13e80246320b0bec09362542243be42d1d5d060e203e1a0c66ef48 e159464a582a6a0c50471310084f6b1703221d2e7a54502b2b205c433afa ec58ea200e3005090e1725005739eda7342aed311001383fff7c58ef1f11 01305424231c0d2c41f105057f74510d335440332f1038ec17275f5814e1 05f12f380720ea2b19e24a07e53c142128354e2827f25a08fb401c3126a6 0d17272f53063954163d050a541b1f1144305ae37d4932431b1f33140b1b 0b4f070f071fe92c200e1fa05e4b272e50201b5d493110e429482c100730 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七、实验器材（设备、元器件）：
学生每人一台PC，安装Windows 7操作系统及VC++\Python开发环境。
八、实验思路，代码及运行结果：
将上述四个题目的解题思路或方法，代码和运行结果分别写在下面。
**1．**解题思路或方法：
第一小问要求我们编程将十六进制的字符串转换成base64编码，这一小问大体分为两个步骤。第一步将十六进制字符串转化为ASCII码，进而得到字母串，即明文信息。第二步则对明文字符串进行base64加密。
先来看第一步，将十六进制字符串转化成ASCII码值得到明文信息。使用以下语句：
m= binascii.unhexlify(hex_string)
其中，binascii是Python中的一个模块，在这里将十六进制字符串转换成了ASCII码值，而unhexlify将十六进制字符串转换为可视化的字符串。如果此时进行print(m)，则可得到明文信息如下：
第二步，将上述的明文信息进行base64编码加密，Base64的编码规则是将3个8位字节(3×8=24位)编码成4个6位的字节(4×6=24位)，之后在每个6位字节前面，补充两个0，形成4个8位字节的形式，那么取值范围就变成了0~63。又因为2的6次方等于64，所以每6个位组成一个单元。也就是说，加密时先把字符串中每个字符对应的十进制ASCII码值转换为2进制， 比如a的ascll码为97， 97的二进制是：01100001，然后把每个字符的8位二进制数都连起来，每6位分为一组，最后再把6个二进制码转换为Base64对于的编码。在本次实验中可直接使用Python中的base64模块。
encodestr=base64.b64encode(m)
return str(encodestr,'utf-8')
- 1
- 2
我使用的是Python3的版本，所以字符都为unicode编码，而b64encode函数的参数为byte类型，之前unhexlify得到的字符串是byte类型的，所以无需转码。而得到的encodestr必须进行转码，我在这里使用’utf-8’进行转码。转码后，输出加密后的密文结果。
运行结果：
2. 解题思路或方法：
第二个实验要求我们编程实现两个等长的十六进制字符串的异或。
为了实现两个等长的字符串实现一对一的对应异或，使用Python中的zip（）函数对字符串进行分组。zip函数进行分组，返回一个列表 (x,y)，例如(‘1’,‘6’)(‘c’,‘8’)等。
x^y是按位异或，实现每个zip列表中两个数的异或。
%x 无符号整数(十六进制) 故 %02x是输出两位十六进制，字母小写空缺补零。
核心代码如下：
m_a=binascii.unhexlify(a)
m_b=binascii.unhexlify(b)
result =’’.join("%02x" % (x^y) for x, y in zip(m_a, m_b))
输出最终结果为：
运行结果：
3. 解题思路或方法：
第三小题要求在已知被单字符异或后得到的十六进制的字符串的条件下，找出密钥即该单字符并解密该密文。提示中提到了英文字母频率和穷举法。
穷举法给我的启示是，将单字符的取值范围0x00-0xFF这里面总共256种字符（包括不可打印字符在内），都用来作为密钥对密文进行解密，看哪个单字符得到的结果更符合实际语句，从而确定密钥和明文。因为这个被加密过的字符串是被单字符异或得到的，使用这256个字符作为密钥，与加密过的字符串进行异或便可以得到256组明文。
英文字母频率是用来判断语句是否符合常用的语言规律。每个字母在语句中出现都有不同的概率，可以通过这种频率来判断我们得到的256组明文是否符合常理，通过比较判断，找出256组中最合适的字符串作为明文，相应的单字符作为最终的密钥。
英文字母频率如下：
FREQUENCY_TABLE = {
‘a’: 0.08167,‘b’: 0.01492,‘c’: 0.02782,‘d’: 0.04253,‘e’: 0.1270,‘f’: 0.02228,‘g’: 0.02015,‘h’: 0.06094, ‘i’: 0.06966,‘j’: 0.00153,‘k’: 0.00772,‘l’: 0.04025,‘m’: 0.02406,‘n’: 0.06749,‘o’: 0.07507,‘p’: 0.01929,‘q’: 0.00095,‘r’: 0.05987,‘s’: 0.06327,‘t’: 0.09056,‘u’: 0.02758,‘v’: 0.00978,‘w’: 0.02360,‘x’: 0.00150,‘y’: 0.01974,‘z’: 0.00074, ’ ': 0.1918182
}
定义一个子函数score，这个函数的作用是返回分数值，该分数值是输入数据的每个字母的概率之和。如果一个字符串的分数值比较高的话就可以认为这句话在平时中是比较符合逻辑的。所以认为是正确解密得到的字符串。
def score(input_bytes):
score = 0
for byte in input_bytes:
score += FREQUENCY_TABLE.get(chr(byte).lower(), 0)
#chr() 用一个范围在 range（256）内的（就是0～255）整数作参数，返回一个对应的字符。
return score
- 1
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- 4
- 5
- 6
定义下面这个子函数，功能是求解明文，使用密钥与密文异或来解得明文字符串，将结果返回。
def singlechar_xor(input_bytes, key_value):
output = b''
for char in input_bytes:
output += bytes([char ^ key_value])
return output
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- 5
下面是判断明文得分的部分：
尝试单字符密钥的每个可能字节，用该字节解密密文并计算每个明文的英语分数。得分最高的明文可能是使用正确的key值解密的那个。
def singlechar_xor_brute_force(ciphertext):
candidates = []
for key_candidate in range(256):
plaintext_candidate = singlechar_xor(ciphertext, key_candidate)#明文
candidate_score = score(plaintext_candidate) #计算得分
result = {
'key': key_candidate,
'score': candidate_score,
'plaintext': plaintext_candidate
}
candidates.append(result) #往列表的尾部添加新的对象
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运行结果：
4. 解题思路或方法：
这一小题和第三小题的思路大致相同，而且可以使用在第三小题中定义的子函数。因为题目中给我们的字符串都是以六十个十六进制字符为一行的，所以可以将数据放在文本文档中，然后把数据一行一行读入。和第三问的区别在于，第三问是固定了密文，只需找到合适的密钥来解密正确的明文，而这一题则不知道密文是哪一个，需要多一层尝试，即每一行都要作为密文进行一次与第三题相似的过程，然后将最后所有的明文字符串进行比较，筛选出最合适的明文和密钥。其他的与第三问一样，例如可以调用第三小题中判断明文得分部分的子函数，来比较哪一行字符串更符合语言逻辑。
运行结果：
代码：
完整代码请移步资源区
九、总结及心得体会：
之前三次密码写实验我都是用C语言去实现的，这次实验由于涉及base64编码，用Python相对简单，其实我对于Python的掌握并不熟练，仅仅是在大一的暑假理论性的学习了一遍，很少付诸实践去使用。这次实验不仅让我熟悉了密码算法，更是加强了我对Python的熟练度。
十、对本实验过程及方法、手段的改进建议：
利用英文字母频率法暴破是我受到题目的提示，在本次实验中采用的方法，我还在网上看到利用编码的汉明码距的破解方法。大体思路是将二十六个英文字母用八位二进制数来表示，它们之间的汉明码距是非常小的。例如，如果a-z分别代表0-25，那么他们的八位二进制表示也就是00000000-00011001，极端地来说两个字母之间的汉明码距最大也就是4。但是如果与一个单字符异或之后，它们的汉明码距一定会大幅度地变大。所以在判断256组明文是否是真正的明文时，只需算出其汉明码距之和，最小的可以认为是正确的明文。
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