用Python复现二战德军enigma密码机

2024-04-02 19:04:59 628人浏览薄情痞子

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摘要

目录前言代码总结前言我们知道，enigma机是德军二战中重要的情报加密机器，其有许多特点。首先，它是一台加解密一体机其次，它有排己性，虽然多次输入同一明文可能得到不同的密文，但

前言

我们知道，enigma机是德军二战中重要的情报加密机器，其有许多特点。

首先，它是一台加解密一体机

其次，它有排己性，虽然多次输入同一明文可能得到不同的密文，但明文a永远不可能加密为其本身。这样完美掩盖本身明文的性质是由反射板造成的，但也最终在图灵的利用下给了enigma机致命一击。

enigma机先后有多种不同的型号，如3转轮型，5转轮型，5转轮选3转轮型等等。本人对三转轮enigma机进行的程序复现。需要说明的是，由于enigma机的精华部分是转子和反射板，所以代码中也着重复现了这一过程，而对接线板进行了省略。毕竟，enigma机的厉害之处在于其疯狂到近乎变态的做到了几乎“一字一换表”，而接线板只是做简单的字母替换，本身并无新意。

代码

话不多说，直接上代码：（一些使用说明见文末）

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Tue Jan  4 09:40:42 2022
@author: burger
"""
 
 
from numpy import random
import numpy as np
import time
 
arr = np.array(['a','b','c','d','e','f','g','h','i','j','k','l','m','n','o','p','q','r','s','t','u','v','w','x','y','z'])
 
#输入一个批次号
num = input('请输入您要使用的enigma机批次号XXX-XXX-XXX（示例：123-456-789）\n')
filename = 'enigma_code_book.txt'
with open(filename) as file_object:
    context = file_object.read()
    
if num in context:
    number = context.find(num)
    arr_a=context[(number+12):(number+38)]  #一号转轮
    arr_b=context[(number+39):(number+65)]  #二号转轮
    arr_c=context[(number+66):(number+92)]  #三号转轮
    arr_d=context[(number+93):(number+119)]  #反射板
 
else:
    arr_a=random.permutation(arr)
    arr_b=random.permutation(arr)
    arr_c=random.permutation(arr)
    arr_d=random.permutation(arr)
    with open(filename,'a') as file_object:
        str_1='\n'
        str_1=str_1+num
        str_1+=' '
        for i in range(len(arr_a)):
            str_1+=arr_a[i]
        str_1+=' '
        for i in range(len(arr_b)):
            str_1+=arr_b[i]
        str_1+=' '
        for i in range(len(arr_c)):
            str_1+=arr_c[i]
        str_1+=' '
        for i in range(len(arr_d)):
            str_1+=arr_d[i]
        str_1+=' '
        file_object.write(str_1)
zzwz=input('请输入初始转子位置(规范为三个英文字母中间加两个英文逗号)\n eg: a,b,c\n')#zzwz即转子位置
zz_1=list(zzwz)[0]
zz_2=list(zzwz)[2]
zz_3=list(zzwz)[4]
num_zz_1=ord(zz_1)-97
num_zz_2=ord(zz_2)-97
num_zz_3=ord(zz_3)-97
 
def main():
    global num_zz_1
    global num_zz_2
    global num_zz_3
    text=input('请输入加密内容\n')
    for n in range(len(text)):
        string=list(text)[n]
        print(zhuanhuan(string),end='')
        num_zz_1+=1
        if num_zz_1 == 26:
            num_zz_1 = 0
            num_zz_2+=1
            if num_zz_2 == 26:
                num_zz_2=0
                num_zz_3+=1
                if num_zz_3 == 26:
                    num_zz_3 = 0
def zhuanhuan(letter):
    #a号转轮
    #右侧有26个触点
    #生成a轮的随机连线方式 
    a_1_1=False
    a_1_2=False
    a_1_3=False
    a_1_4=False
    a_1_5=False
    a_1_6=False
    a_1_7=False
    a_1_8=False
    a_1_9=False
    a_1_10=False
    a_1_11=False
    a_1_12=False
    a_1_13=False
    a_1_14=False
    a_1_15=False
    a_1_16=False
    a_1_17=False
    a_1_18=False
    a_1_19=False
    a_1_20=False
    a_1_21=False
    a_1_22=False
    a_1_23=False
    a_1_24=False
    a_1_25=False
    a_1_26=False
    if letter == 'a':
        a_1_1 = True
    if letter == 'b':
        a_1_2 = True
    elif letter == 'c':
        a_1_3 = True
    elif letter == 'd':
        a_1_4 = True
    elif letter == 'e':
        a_1_5 = True
    elif letter == 'f':
        a_1_6 = True
    elif letter == 'g':
        a_1_7 = True
    elif letter == 'h':
        a_1_8 = True
    elif letter == 'i':
        a_1_9 = True
    elif letter == 'j':
        a_1_10 = True
    elif letter == 'k':
        a_1_11 = True
    elif letter == 'l':
        a_1_12 = True
    elif letter == 'm':
        a_1_13 = True
    elif letter == 'n':
        a_1_14 = True
    elif letter == 'o':
        a_1_15 = True
    elif letter == 'p':
        a_1_16 = True
    elif letter == 'q':
        a_1_17 = True
    elif letter == 'r':
        a_1_18 = True
    elif letter == 's':
        a_1_19 = True
    elif letter == 't':
        a_1_20 = True
    elif letter == 'u':
        a_1_21 = True
    elif letter == 'v':
        a_1_22 = True
    elif letter == 'w':
        a_1_23 = True
    elif letter == 'x':
        a_1_24 = True
    elif letter == 'y':
        a_1_25 = True
    elif letter == 'z':
        a_1_26 = True
    a_1_first=[a_1_1,a_1_2,a_1_3,a_1_4,a_1_5,a_1_6,a_1_7,a_1_8,a_1_9,a_1_10,a_1_11,a_1_12,a_1_13,a_1_14,a_1_15,a_1_16,a_1_17,a_1_18,a_1_19,a_1_20,a_1_21,a_1_22,a_1_23,a_1_24,a_1_25,a_1_26]
#    print(a_1_first)
    a_1=[False,False,False,False,False,False,False,False,False,False,False,False,False,False,False,False,False,False,False,False,False,False,False,False,False,False]
    for i in range(26):
        global num_zz_1
        a_1[i]=a_1_first[(num_zz_1-26)+i]
#    print(a_1)
    #左侧有26个触点
    a_2_1=False
    a_2_2=False
    a_2_3=False
    a_2_4=False
    a_2_5=False
    a_2_6=False
    a_2_7=False
    a_2_8=False
    a_2_9=False
    a_2_10=False
    a_2_11=False
    a_2_12=False
    a_2_13=False
    a_2_14=False
    a_2_15=False
    a_2_16=False
    a_2_17=False
    a_2_18=False
    a_2_19=False
    a_2_20=False
    a_2_21=False
    a_2_22=False
    a_2_23=False
    a_2_24=False
    a_2_25=False
    a_2_26=False
    a_2=[a_2_1,a_2_2,a_2_3,a_2_4,a_2_5,a_2_6,a_2_7,a_2_8,a_2_9,a_2_10,a_2_11,a_2_12,a_2_13,a_2_14,a_2_15,a_2_16,a_2_17,a_2_18,a_2_19,a_2_20,a_2_21,a_2_22,a_2_23,a_2_24,a_2_25,a_2_26]
    #构建a号转轮左右对应关系
    
    for i in range(26):
        a_2[i]=a_1[ord(arr_a[i])-97]
#    print(a_2)
    #此时，a号转轮建模成功    
    
        
    #b号转轮
    #右侧有26个触点
    b_1_1=False
    b_1_2=False
    b_1_3=False
    b_1_4=False
    b_1_5=False
    b_1_6=False
    b_1_7=False
    b_1_8=False
    b_1_9=False
    b_1_10=False
    b_1_11=False
    b_1_12=False
    b_1_13=False
    b_1_14=False
    b_1_15=False
    b_1_16=False
    b_1_17=False
    b_1_18=False
    b_1_19=False
    b_1_20=False
    b_1_21=False
    b_1_22=False
    b_1_23=False
    b_1_24=False
    b_1_25=False
    b_1_26=False
    b_1=[b_1_1,b_1_2,b_1_3,b_1_4,b_1_5,b_1_6,b_1_7,b_1_8,b_1_9,b_1_10,b_1_11,b_1_12,b_1_13,b_1_14,b_1_15,b_1_16,b_1_17,b_1_18,b_1_19,b_1_20,b_1_21,b_1_22,b_1_23,b_1_24,b_1_25,b_1_26]
    
    #a轮传给b轮
    for i in range(26):
        global num_zz_2
        b_1[i]=a_2[((num_zz_2)-26)+i]
#    print(b_1)
    #左侧有26个触点
    b_2_1=False
    b_2_2=False
    b_2_3=False
    b_2_4=False
    b_2_5=False
    b_2_6=False
    b_2_7=False
    b_2_8=False
    b_2_9=False
    b_2_10=False
    b_2_11=False
    b_2_12=False
    b_2_13=False
    b_2_14=False
    b_2_15=False
    b_2_16=False
    b_2_17=False
    b_2_18=False
    b_2_19=False
    b_2_20=False
    b_2_21=False
    b_2_22=False
    b_2_23=False
    b_2_24=False
    b_2_25=False
    b_2_26=False
    b_2=[b_2_1,b_2_2,b_2_3,b_2_4,b_2_5,b_2_6,b_2_7,b_2_8,b_2_9,b_2_10,b_2_11,b_2_12,b_2_13,b_2_14,b_2_15,b_2_16,b_2_17,b_2_18,b_2_19,b_2_20,b_2_21,b_2_22,b_2_23,b_2_24,b_2_25,b_2_26]
    #构建b号转轮左右对应关系
    
    for i in range(26):
        b_2[i]=b_1[ord(arr_b[i])-97]
#    print(b_2)
    #此时，b号转轮建模成功 
    
    #c号转轮
    #右侧有26个触点
    c_1_1=False
    c_1_2=False
    c_1_3=False
    c_1_4=False
    c_1_5=False
    c_1_6=False
    c_1_7=False
    c_1_8=False
    c_1_9=False
    c_1_10=False
    c_1_11=False
    c_1_12=False
    c_1_13=False
    c_1_14=False
    c_1_15=False
    c_1_16=False
    c_1_17=False
    c_1_18=False
    c_1_19=False
    c_1_20=False
    c_1_21=False
    c_1_22=False
    c_1_23=False
    c_1_24=False
    c_1_25=False
    c_1_26=False
    c_1=[c_1_1,c_1_2,c_1_3,c_1_4,c_1_5,c_1_6,c_1_7,c_1_8,c_1_9,c_1_10,c_1_11,c_1_12,c_1_13,c_1_14,c_1_15,c_1_16,c_1_17,c_1_18,c_1_19,c_1_20,c_1_21,c_1_22,c_1_23,c_1_24,c_1_25,c_1_26]
    
    #b轮传给c轮
    for i in range(26):
        global num_zz_3
        c_1[i]=b_2[((num_zz_3)-26)+i]
#    print(c_1)
    #左侧有26个触点
    c_2_1=False
    c_2_2=False
    c_2_3=False
    c_2_4=False
    c_2_5=False
    c_2_6=False
    c_2_7=False
    c_2_8=False
    c_2_9=False
    c_2_10=False
    c_2_11=False
    c_2_12=False
    c_2_13=False
    c_2_14=False
    c_2_15=False
    c_2_16=False
    c_2_17=False
    c_2_18=False
    c_2_19=False
    c_2_20=False
    c_2_21=False
    c_2_22=False
    c_2_23=False
    c_2_24=False
    c_2_25=False
    c_2_26=False
    c_2=[c_2_1,c_2_2,c_2_3,c_2_4,c_2_5,c_2_6,c_2_7,c_2_8,c_2_9,c_2_10,c_2_11,c_2_12,c_2_13,c_2_14,c_2_15,c_2_16,c_2_17,c_2_18,c_2_19,c_2_20,c_2_21,c_2_22,c_2_23,c_2_24,c_2_25,c_2_26]
    #构建c号转轮左右对应关系
    
    for i in range(26):
        c_2[i]=c_1[ord(arr_c[i])-97]
#    print(c_2)
    #此时，c号转轮建模成功
 
 
    #c号转轮反射板
 
    for i in range(0,26,2):
        c_2[ord(arr_d[i])-97],c_2[ord(arr_d[i+1])-97]=c_2[ord(arr_d[i+1])-97],c_2[ord(arr_d[i])-97]
        
    #反向传播
    arr_c_2=[]
    arr_b_2=[]
    arr_a_2=[]
    arr_c_1=[]
    arr_b_1=[]
    arr_a_1=[]
 
    for i in range(26):
        arr_c_2.append(ord(arr_c[i])-97)
        arr_b_2.append(ord(arr_b[i])-97)
        arr_a_2.append(ord(arr_a[i])-97)
    arr_c_0=sorted(arr_c_2)
    arr_b_0=sorted(arr_b_2)
    arr_a_0=sorted(arr_a_2)
    for i in range(26):
        arr_c_1.append(arr_c_2.index(arr_c_0[i]))
        arr_b_1.append(arr_b_2.index(arr_c_0[i]))
        arr_a_1.append(arr_a_2.index(arr_c_0[i]))
    
    #c号转轮反向传播
    c_3_1=False
    c_3_2=False
    c_3_3=False
    c_3_4=False
    c_3_5=False
    c_3_6=False
    c_3_7=False
    c_3_8=False
    c_3_9=False
    c_3_10=False
    c_3_11=False
    c_3_12=False
    c_3_13=False
    c_3_14=False
    c_3_15=False
    c_3_16=False
    c_3_17=False
    c_3_18=False
    c_3_19=False
    c_3_20=False
    c_3_21=False
    c_3_22=False
    c_3_23=False
    c_3_24=False
    c_3_25=False
    c_3_26=False
    c_3=[c_3_1,c_3_2,c_3_3,c_3_4,c_3_5,c_3_6,c_3_7,c_3_8,c_3_9,c_3_10,c_3_11,c_3_12,c_3_13,c_3_14,c_3_15,c_3_16,c_3_17,c_3_18,c_3_19,c_3_20,c_3_21,c_3_22,c_3_23,c_3_24,c_3_25,c_3_26]
    for i in range(26):
        c_3[i]=c_2[arr_c_1[i]]
#    print(c_3)
    #c轮传给b轮
    b_3_1=False
    b_3_2=False
    b_3_3=False
    b_3_4=False
    b_3_5=False
    b_3_6=False
    b_3_7=False
    b_3_8=False
    b_3_9=False
    b_3_10=False
    b_3_11=False
    b_3_12=False
    b_3_13=False
    b_3_14=False
    b_3_15=False
    b_3_16=False
    b_3_17=False
    b_3_18=False
    b_3_19=False
    b_3_20=False
    b_3_21=False
    b_3_22=False
    b_3_23=False
    b_3_24=False
    b_3_25=False
    b_3_26=False
    b_3=[b_3_1,b_3_2,b_3_3,b_3_4,b_3_5,b_3_6,b_3_7,b_3_8,b_3_9,b_3_10,b_3_11,b_3_12,b_3_13,b_3_14,b_3_15,b_3_16,b_3_17,b_3_18,b_3_19,b_3_20,b_3_21,b_3_22,b_3_23,b_3_24,b_3_25,b_3_26]
    for i in range(26):
#        global num_zz_3
        b_3[i]=c_3[-(num_zz_3)+i]#左侧有26个触点 
#    print(b_3)
    #b号转轮反向传播
    b_4_1=False
    b_4_2=False
    b_4_3=False
    b_4_4=False
    b_4_5=False
    b_4_6=False
    b_4_7=False
    b_4_8=False
    b_4_9=False
    b_4_10=False
    b_4_11=False
    b_4_12=False
    b_4_13=False
    b_4_14=False
    b_4_15=False
    b_4_16=False
    b_4_17=False
    b_4_18=False
    b_4_19=False
    b_4_20=False
    b_4_21=False
    b_4_22=False
    b_4_23=False
    b_4_24=False
    b_4_25=False
    b_4_26=False
    b_4=[b_4_1,b_4_2,b_4_3,b_4_4,b_4_5,b_4_6,b_4_7,b_4_8,b_4_9,b_4_10,b_4_11,b_4_12,b_4_13,b_4_14,b_4_15,b_4_16,b_4_17,b_4_18,b_4_19,b_4_20,b_4_21,b_4_22,b_4_23,b_4_24,b_4_25,b_4_26]
    for i in range(26):
        b_4[i]=b_3[arr_b_1[i]]
#    print(b_4)
    #b轮传给a轮
    a_3_1=False
    a_3_2=False
    a_3_3=False
    a_3_4=False
    a_3_5=False
    a_3_6=False
    a_3_7=False
    a_3_8=False
    a_3_9=False
    a_3_10=False
    a_3_11=False
    a_3_12=False
    a_3_13=False
    a_3_14=False
    a_3_15=False
    a_3_16=False
    a_3_17=False
    a_3_18=False
    a_3_19=False
    a_3_20=False
    a_3_21=False
    a_3_22=False
    a_3_23=False
    a_3_24=False
    a_3_25=False
    a_3_26=False
    a_3=[a_3_1,a_3_2,a_3_3,a_3_4,a_3_5,a_3_6,a_3_7,a_3_8,a_3_9,a_3_10,a_3_11,a_3_12,a_3_13,a_3_14,a_3_15,a_3_16,a_3_17,a_3_18,a_3_19,a_3_20,a_3_21,a_3_22,a_3_23,a_3_24,a_3_25,a_3_26]
    for i in range(26):
#        global num_zz_2
        a_3[i]=b_4[-(num_zz_2)+i]#左侧有26个触点 
#    print(a_3)
    #a号转轮反向传播
    a_4_1=False
    a_4_2=False
    a_4_3=False
    a_4_4=False
    a_4_5=False
    a_4_6=False
    a_4_7=False
    a_4_8=False
    a_4_9=False
    a_4_10=False
    a_4_11=False
    a_4_12=False
    a_4_13=False
    a_4_14=False
    a_4_15=False
    a_4_16=False
    a_4_17=False
    a_4_18=False
    a_4_19=False
    a_4_20=False
    a_4_21=False
    a_4_22=False
    a_4_23=False
    a_4_24=False
    a_4_25=False
    a_4_26=False
    a_4=[a_4_1,a_4_2,a_4_3,a_4_4,a_4_5,a_4_6,a_4_7,a_4_8,a_4_9,a_4_10,a_4_11,a_4_12,a_4_13,a_4_14,a_4_15,a_4_16,a_4_17,a_4_18,a_4_19,a_4_20,a_4_21,a_4_22,a_4_23,a_4_24,a_4_25,a_4_26]
    for i in range(26):
        a_4[i]=a_3[arr_a_1[i]]
#    print(a_4)
    #a轮传回
    z_3_1=False
    z_3_2=False
    z_3_3=False
    z_3_4=False
    z_3_5=False
    z_3_6=False
    z_3_7=False
    z_3_8=False
    z_3_9=False
    z_3_10=False
    z_3_11=False
    z_3_12=False
    z_3_13=False
    z_3_14=False
    z_3_15=False
    z_3_16=False
    z_3_17=False
    z_3_18=False
    z_3_19=False
    z_3_20=False
    z_3_21=False
    z_3_22=False
    z_3_23=False
    z_3_24=False
    z_3_25=False
    z_3_26=False
    z_3=[z_3_1,z_3_2,z_3_3,z_3_4,z_3_5,z_3_6,z_3_7,z_3_8,z_3_9,z_3_10,z_3_11,z_3_12,z_3_13,z_3_14,z_3_15,z_3_16,z_3_17,z_3_18,z_3_19,z_3_20,z_3_21,z_3_22,z_3_23,z_3_24,z_3_25,z_3_26]
    for i in range(26):
#        global num_zz_1
        z_3[i]=a_4[-(num_zz_1)+i]
#    print(z_3)
    for i in range(26):
        if z_3[i]==True:
            return(chr(i+97))
        
    
if __name__ == '__main__':
    main()

简单解释一下代码，大体思路是用boolean类型的列表来表示每组26个触头的有电无电情况，在复现过程中用到了后来图灵在破解enigma机的时候用到的一种思想：将两个接线情况完全对称的enigma机并排放置。其中对True传递的处理方法和反射板的模拟方法是本人较为满意的地方。

反射过程中，有一个较有意思的东西。上图：

以四个触点为例，在正向传播时，我们以左面触点为基准，读取右面触点的序号为3 4 1 2，在反向传播时，我们以右面触点为基准，读取左面触点序号为2 4 1 3。如何根据3412来构建出2413是一个关键。笔者的一个朋友提供了一个很好的思路。假设3412储存在列表A中，对列表A进行从小到大的排序，储存在列表B中。将列表B中每一个元素在列表A中的下标记录到列表C中，列表C即为我们所求。

之后仿照正向传播，进行反向传播即可。

说一下代码的使用方法吧，在源码同一目录下建立一个名为enigma_code_book.txt文件，用于粗存enigma机型号，三个转轮和一个反射板的接线方式。

点击运行代码，随便输入由3组分别3个阿拉伯数字组成的enigma机批次号，如:123-456-789，点回车。此时程序会自动生成该批次号enigma机的接线方法。如果曾经使用过该批次enigma机，则在enigma_code_book中自动找到所需的接线方式。

再输入初始转轮位置，要求为三个小写英文字母，中间由逗号隔开，如:a,b,c。回车，再输入所需加密的明文内容，回车，即可生成密文。

如果想进行解密，则要求输入同一批次号，同一初始转子位置，输入密文，则可解密出明文。

需要注意的是，这里仿照历史中enigma机，只做了26个小写英文字母的加密，而没有数字，大写英文字母以及标点符号等的加密。因为这些只是在其基础上根据应用需求不同做的一些添砖加瓦的工作。笔者也同时考虑到，如果想加密汉语，可以首先将enigma机扩充进大写字母和阿拉伯数字，再结合base64的值即可。