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加密分析程序CAP4说明.pdf

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1 C A P A S o f t w a r e T o o l f o r T e a c h i n g C l a s s i c a l C r y p t o l o g y D r . R i c h a r d S p i l l m a n D e p a r t m e n t o f C o m p u t e r S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g P a c i f i c L u t h e r a n U n i v e r s i t y T a c o m a , W A 9 8 4 4 7 O F F I C E : 2 5 3 - 5 3 5 - 7 4 0 6 F A X : 2 5 3 – 5 3 6 - 5 0 5 5 s p i l l m r j @ p l u . e d u A B S T R A C T T h e w o r l d o f c r y p t o l o g y h a s a l o n g a n d r i c h h i s t o r y . M a n y d i f f e r e n t c i p h e r s y s t e m s h a v e b e e n d e v e l o p e d a n d u l t i m a t e l y b r o k e n . W h i l e t h e s e s y s t e m s a r e n o l o n g e r i n u s e a s m a i n s t r e a m e n c r y p t i o n m e t h o d s , t h e s t u d y o f s u c h s y s t e m s a n d t h e i r w e a k n e s s e s r e m a i n s i m p o r t a n t . C l a s s i c a l c r y p t o l o g y t e a c h e s s t u d e n t s a b o u t t h e p i t f a l l s o f c i p h e r d e s i g n , d e v e l o p s a n i n t u i t i v e f e e l f o r t h e n a t u r e o f c i p h e r s y s t e m s a n d m o t i v a t e s t h e s t u d y o f m o d e r n c i p h e r s . T h i s p a p e r d e s c r i b e s a s o f t w a r e t o o l c a l l e d C A P ( C r y p t o g r a p h i c A n a l y s i s P r o g r a m ) t h a t c a n b e u s e d i n a c o u r s e o n c l a s s i c a l c r y p t o l o g y . T h e p r o g r a m a l l o w s s t u d e n t s t o e x p l o r e d i f f e r e n t i m p l e m e n t a t i o n s o f c l a s s i c a l c i p h e r s a n d p r o v i d e s t h e t o o l s n e c e s s a r y t o b r e a k m a n y o f t h o s e c i p h e r s . I t c a n b e d o w n l o a d e d f r o m t h e a u t h o r ’ s w e b s i t e a t w w w . p l u . e d u / ~ s p i l l m r j .
2 C A P : A S o f t w a r e T o o l f o r T e a c h i n g C l a s s i c a l C r y p t o l o g y D r . R i c h a r d S p i l l m a n 1 . 0 I n t r o d u c t i o n C l a s s i c a l c r y p t o l o g y i s t h e s t u d y o f c i p h e r s y s t e m s t h a t h a d t h e i r p r i m a r y o r i g i n i n t h e p r e - c o m p u t e r e r a . H o w e v e r , t h a t d o e s n o t m e a n t h a t t h e s e s y s t e m s a n d t h e p r o c e s s e s o f b r e a k i n g t h e s e s y s t e m s a r e n o l o n g e r o f a n y u s e i n t h e t e a c h i n g o f c r y p t o l o g y . T h e r e a r e a t l e a s t t h r e e r e a s o n s w h y c l a s s i c a l c r y p t o l o g y i s s t i l l a n i m p o r t a n t s u b j e c t m a t t e r i n t o d a y ’ s c o m p u t e r s e c u r i t y c o u r s e s . F i r s t , c l a s s i c a l c r y p t o l o g y c a n m o t i v a t e a s t u d e n t ’ s i n t e r e s t i n c o n t e m p o r a r y c r y p t o l o g y . S e c o n d , c l a s s i c a l c r y p t o l o g y c a n d e v e l o p a s t u d e n t ’ s i n t u i t i v e f e e l f o r t h e s t r e n g t h s a n d w e a k n e s s e s o f a n y c i p h e r s y s t e m . T h i r d , c l a s s i c a l c r y p t o l o g y c a n t e a c h s t u d e n t s t h e n e c e s s a r y d i s c i p l i n e t h a t t h e y w i l l n e e d f o r t h e d e v e l o p m e n t a n d a n a l y s i s o f c o n t e m p o r a r y s y s t e m s . 1 . 1 M o t i v a t e S t u d e n t s T h e r e i s a c r i t i c a l n e e d f o r i n d i v i d u a l s w i t h a b a c k g r o u n d i n c o m p u t e r s e c u r i t y h e n c e w a y s i n w h i c h s t u d e n t s c o u l d b e e n c o u r a g e d t o c o n s i d e r c o m p u t e r s e c u r i t y a s a c a r e e r c o u l d b e v e r y h e l p f u l . T h e s t u d y o f c l a s s i c a l c r y p t o l o g y c a n b e s u c h a m o t i v a t o r . T h e h i s t o r y a n d t h e m y s t e r y s u r r o u n d i n g c o d e s a n d c i p h e r s i s t h e s t u f f o f H o l l y w o o d . I h a v e f o u n d s t u d e n t s t o b e v e r y i n t e r e s t e d i n t h e s t o r i e s t h a t c o m e o u t o f t h e s t u d y o f c r y p t o l o g y a n d e s p e c i a l l y i n t e r e s t e d i n t r y i n g o u t s o m e o f t h e c i p h e r s . T h i s l e v e l o f i n t e r e s t s e e m s t o t r a n s c e n d g r a d e l e v e l s . F o r e x a m p l e , I h a v e t a u g h t a 2 d a y h i s t o r y o f c i p h e r s c o u r s e t o 7 t h g r a d e r s a n d f o u n d t h a t t h e i r l e v e l o f i n t e r e s t m a t c h e d t h a t o f t h e s t u d e n t s i n m y c o m p u t e r s e c u r i t y c o u r s e a t P L U .
3 1 . 2 D e v e l o p a n i n t u i t i v e s e n s e T h e p r o c e s s o f c r y p t a n a l y s i s i s a s m u c h a n a r t a s i t i s a s c i e n c e . A s a r e s u l t , a g o o d c r y p t a n a l y s t r e l i e s o n i n t u i t i o n a s w e l l a s k n o w l e d g e t o s o l v e t o u g h p r o b l e m s . I n t u i t i o n i s d e v e l o p e d b y e x p e r i e n c e a n d t o d a y ’ s c r y p t a n a l y s t m u s t h a v e e x p e r i e n c e w i t h m a t h e m a t i c s a n d l a n g u a g e s t r u c t u r e . S o m e o f t h e i n t u i t i o n a b o u t l a n g u a g e c a n b e g a i n e d b y w o r k i n g w i t h c l a s s i c a l c i p h e r s . W h i l e e x p l o r i n g t h e s t r e n g t h s a n d w e a k n e s s e s o f c l a s s i c a l c i p h e r s , a s t u d e n t c a n l e a r n a b o u t t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f l a n g u a g e a n d s t r u c t u r e o f c i p h e r s a n d b e g i n t o u n d e r s t a n d a t a i n t u i t i v e l e v e l h o w l a n g u a g e i s u s e d . 1 . 3 T e a c h D i s c i p l i n e T h e a r t a n d s c i e n c e o f c r y p t o l o g y r e q u i r e s a h i g h l e v e l o f d i s c i p l i n e . T h i s i s e s p e c i a l l y t r u e o f c r y p t a n a l y s i s w h e r e t h e p r o c e s s o f d i s c o v e r i n g w e a k n e s s e s i n a c i p h e r s y s t e m i n v o l v e s m o r e t h a n j u s t s k i l l a n d i n s i g h t . I t r e q u i r e s t h e d i s c i p l i n e t o e n g a g e i n a t r a i l a n d e r r o r p r o c e s s t h a t p r o d u c e s m o r e b l i n d a l l e y s t h a n s u c c e s s e s . I t r e q u i r e s t h e a b i l i t y t o s t i c k t o a t a s k w i t h o u t c o n s t a n t r e w a r d s . T h i s d i s c i p l i n e c a n b e b u i l t u p b y t e a c h i n g s t u d e n t s h o w t o a n a l y z e c l a s s i c a l c i p h e r s w h e r e t h e d i f f i c u l t y l e v e l g r o w s a s t h e s t u d e n t m a t u r e s . 1 . 4 G o a l O n e p r o b l e m w i t h c l a s s i c a l c r y p t o l o g y c o u r s e s i n c o m p u t e r s c i e n c e i s t h a t t h e y a r e o f t e n p r o g r a m m i n g c o u r s e s a s w e l l . R e q u i r i n g s t u d e n t s t o w r i t e p r o g r a m s t o i m p l e m e n t a g i v e n c i p h e r o r a n a l y s i s t o o l l i m i t s t h e a m o u n t o f t i m e a v a i l a b l e t o s t u d e n t s t o s t u d y t h e f u l l r a n g e o f c i p h e r s a n d t o o l s . H e n c e , t h e g o a l o f t h i s p a p e r i s t o p r e s e n t a t o o l f o r u s e i n c l a s s i c a l c r y p t o l o g y c o u r s e s t h a t w i l l e n h a n c e t h e t e a c h i n g e n v i r o n m e n t i n o r d e r t o i n c r e a s e t h e i m p a c t o f t h e t h r e e a d v a n t a g e s o f s u c h a c o u r s e . T h e t o o l i s c a l l e d t h e
4 C r y p t o g r a p h i c A n a l y s i s P r o g r a m o r C A P . I t i s w r i t t e n i n D e l p h i a n d r u n s o n P C s . I t o f f e r s s t u d e n t s t h e a b i l i t y t o e x p l o r e t h e i n n e r w o r k i n g s o f c l a s s i c a l c i p h e r s a n d t o u t i l i z e a s e t o f s t a n d a r d t o o l s f o r c r y p t a n a l y s i s . 2 . 0 C A P C A P i s a w i n d o w s p r o g r a m t h a t w i l l a l l o w a s t u d e n t t o b o t h m a k e a n d b r e a k c i p h e r s . I t c o v e r s b o t h t h e c l a s s i c a l c i p h e r s a n d c r y p t o a n a l y s i s t e c h n i q u e s a s w e l l a s s o m e o f t h e m o r e c o n t e m p o r a r y s y s t e m s . I t e v e n i n c l u d e s a c h a l l e n g e g a m e w h i c h s t u d e n t s c a n p l a y o n t h e i r o w n t o t e s t t h e i r c i p h e r b r e a k i n g s k i l l s a n d a n a u t o m a t e d c r y p t a n a l y s i s s y s t e m t h a t w i l l g u i d e t h e m s t e p - b y - s t e p t h r o u g h t h e p r o c e s s o f b r e a k i n g a c i p h e r . T o s t a r t C A P , d o u b l e c l i c k o n t h e C A P i c o n , a n d t h e m a i n C A P w i n d o w w i l l o p e n ( s e e F i g u r e 1 . 0 ) . F r o m t h i s w i n d o w t h e s t u d e n t c a n n a v i g a t e t h o u g h t h e v a r i o u s f e a t u r e s o f C A P . T h e t w o m a j o r f i e l d s i n t h e C A P m a i n w i n d o w a r e t h e p l a i n t e x t a n d c i p h e r t e x t b o x e s . B o t h b o x e s a r e l i k e s m a l l w o r d p r o c e s s o r s s o y o u c a n d i r e c t l y t y p e t e x t i n t o o n e o f t h e b o x e s a n d s a v e i t t o a f i l e . L a t e r , t h e s a v e d f i l e c a n b e o p e n e d i n t o e i t h e r b o x . A l l t h e c i p h e r i m p l e m e n t a t i o n s h a v e t h e s a m e t y p e o f C A P i n t e r f a c e . E n t e r t h e p l a i n t e x t i n t h e p l a i n t e x t w i n d o w a n d t h e n s e l e c t a c i p h e r t y p e f r o m t h e C i p h e r s m a i n m e n u o p t i o n . D e p e n d i n g o n t h e c i p h e r c h o s e n , a c i p h e r w i n d o w w i l l o p e n a s k i n g f o r a k e y . O n c e t h e k e y i s e n t e r e d , t h e s t u d e n t c a n e i t h e r e n c i p h e r o r d e c i p h e r ( i f c i p h e r t e x t i s a v a i l a b l e i n t h e c i p h e r t e x t w i n d o w ) . P o s s i b l e c i p h e r s c u r r e n t l y a v a i l a b l e i n C A P i n c l u d e : s i m p l e s h i f t , m u l t i l a t e r a l , a f f i n e , k e y w o r d , V i g e n e r e , c o l u m n t r a n s p o s i t i o n , H i l l , P l a y f a i r , N i h i l i s t , s t r e a m , A D F V G X , r o t o r , a u t o k e y , f o u r s q u a r e , T u r n i n g G r i l l e , a n d t h e B a z e r i e s c y l i n d e r . A d d i t i o n a l c i p h e r s a r e b e i n g a d d e d a s t h e c a p a b i l i t i e s o f C A P g r o w .
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6 W h e n t h i s t o o l i s s e l e c t e d , a f r e q u e n c y a n a l y s i s w i n d o w o p e n s a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 1 . F i g u r e 2 . 1 : F r e q u e n c y R e p o r t W i n d o w F i g u r e 2 . 0 : B a s i c T o o l s O p t i o n s F r o m t h i s w i n d o w , t h e s t u d e n t m a y s e l e c t s i n g l e , d o u b l e o r t r i p l e f r e q u e n c y r u n s . T h e r e s u l t s a r e r e p o r t e d i n b o t h t a b l e a n d g r a p h f o r m a t a n d c a n b e s a v e d f o r f u t u r e a n a l y s i s . S p e c i f i c t o o l s f o r a k e y w o r d a n a l y s i s a r e s h o w n i n F i g u r e 2 . 2 . T h e s e t o o l s a l l o w t h e s t u d e n t t o s e a r c h f o r k n o w n w o r d s , e x p l o i t t h e s t a n d a r d c h a r a c t e r i s t i c s o f v o w e l s a n d c o n s o n a n t s , a n d e x p e r i m e n t w i t h p o s s i b l e k e y w o r d s i n a k e y w o r d w o r k s h e e t a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 3 .
7 F i g u r e 2 . 3 : K e y w o r d W o r k s h e e t F i g u r e 2 . 2 : K e y w o r d T o o l s T h e p o l y a p h a b e t t o o l s e t i n c l u d e s a K a s i s k i a n a l y s i s ; a l o w f r e q u e n c y c h a r a c t e r a n a l y s i s , a s w e l l a s a s e t o f A u t o k e y a n a l y s i s t o o l s . T h e C o l u m n T r a n s p o s i t i o n t o o l s e t i n c l u d e s a n a n a g r a m a n a l y s i s t o o l a n d a s i z e e s t i m a t e t o o l . T h e s e t o f t o o l s a v a i l a b l e t o s t u d e n t s i s a l s o g r o w i n g a s C A P i m p r o v e s . 2 . 1 E x a m p l e R u n F o r e x a m p l e , c o n f r o n t e d w i t h a V i g e n e r e c i p h e r , a s t u d e n t w o u l d b e g i n w i t h a K a s i s k i a n a l y s i s t o d e t e r m i n e p o s s i b l e k e y w o r d l e n g t h s . A s a m p l e r u n i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 4 . O n c e a k e y w o r d l e n g t h h a s b e e n d e t e r m i n e d , t h e s t u d e n t c o u l d r u n a l o w f r e q u e n c y a n a l y s i s w h i c h , i n t h i s c a s e , i m m e d i a t e l y d i s c o v e r s t h e k e y w o r d a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 5 .
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