柵欄密碼

1. 原理介紹

柵欄密碼按照排列的順序將明文（去掉空格）寫入 m 行 n 列的數組，按照行的順序將字符重新組合得到密文，這種方法稱為 m 欄柵欄密碼。比較常見的是 2 欄柵欄密碼。一般來說，是給定 m，然后通過加密文本的長度確定 n。以文本 ILoveYou,YouLoveMe，行數 m=4 為例：

1.1 加密

(1) 首先將文本按如下方式排列，按列將文本排列成 m 行的柵欄

I	e	,	L	M
L	Y	Y	o	e
o	o	o	v
v	u	u	e

(2) 將文本按行取出，得到密文 Ie,LMLYYoeooovvuue

事實上，加密過程就是把明文按 m 個分組，先取每組第 1 個，再取每組第 2 個，空缺的部分跳過，直至全部取完為止

1.2 解密

(1) 首先通過密文的長度 len = 18 和柵欄的欄數 m = 4 確定柵欄的列數 n；
計算 len / m 得到商 q 和余數 r，如果余數 r = 0，那么 n = q；否則 n = q + 1；
此處 n = 5

(2) 將密文按行排列，重新生成 m 行 n 列的數組

I	e	,	L	M
L	Y	Y	o	e
o	o	o	v
v	u	u	e

(3) 將上述數組由上至下，由左至右讀取，恢復明文 ILoveYou,YouLoveMe

事實上，解密過程就是先計算出 n 和 r 后，將密文分成 m 組，前 m - r 組按 n 為單位分組，后 r 組按 n - 1 為單位分組，按照類似加密的方式執行，還原出明文

(1) 計算出 n = 5，r = 2，mid = (m - r) · n = 10, Len = 18

(2) 前 mid 個密文以 5 為單位分組，后 Len - mid = 8 個密文以 n - 1 = 4 為單位分組，得到

I	L	o	v
e	Y	o	u
,	Y	o	u
L	o	v	e
M	e

(3) 按照加密的方式讀取分組，得到明文

2. 具體實現(python)

2.1 加密

def encrypt(plaintext: str, m: int):
    """
    :param plaintext: 明文
    :param m: 欄數
    :return: 密文
    """
    ciphertext, length = [], len(plaintext)
    for i in range(m):  # 取出每個分組第 i 個元素
        for j in range(i, length, m):
            ciphertext.append(plaintext[j])
    return ''.join(ciphertext)

2.2 解密

def decrypt(ciphertext: str, m: int):
    """
    :param ciphertext: 密文
    :param m: 欄數
    :return: 明文
    """
    plaintext, length = [], len(ciphertext)
    q, r = divmod(length, m)
    n = (q + 1) if r else q  # 計算 n
    mid = n * (m - r)
    for i in range(n - 1):
        # 前 m-r 個分組
        for j in range(i, mid, n):
            plaintext.append(ciphertext[j])
        # 后 r 個分組
        for j in range(mid + i, length, n - 1):
            plaintext.append(ciphertext[j])
    # 前 m-r 個分組最后一個元素
    for j in range(n - 1, mid, n):
        plaintext.append(ciphertext[j])
    return ''.join(plaintext)

2.3 測試樣例及結果

# 樣例一
plaintext = "whateverisworthdoingisworthdoingwell"
m = 3 # 柵欄行數
ciphertext = "wtesrdnsrdneherwtogwtoglaviohiiohiwl"

# 樣例二
plaintext = "healthismoreimportantthanwealth"
m = 2
ciphertext = "hatimriprathnelhelhsoemotntawat"

3. 其它

柵欄密碼除了上述的方式，還有一種為 W型柵欄，此處不作介紹

參考資料：《密碼學實驗教程》