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一、实验目的

1. 帮助学生掌握置换密码的加密解密过程，能够利用所学过的编程语言，熟悉加密算法流程与编程实现加密算法。使学生掌握编程实现实际问题中的方法，提高专业技能和专业素养。
2. 要求学生掌握算法的程序实现的方法,能应用密码算法的特点，设计合适的交互界面，并能正确实现应用编程。
3. 分析算法程序的质量。
4. 要求学生掌握用规范的方法书写实验报告。

二、实验仪器设备/实验环境

1. PC Windows环境
2. 使用Java编程语言开发环境，或者Maple语言。或者C#开发环境开发环境。

三、实验原理

置换密码加密解密过程：
设明文为：4D 61 65 53 2D 4F 69 20 4E。密钥为8,1,6,3,5,7,4,9,2。 求加密后的16进制密文。

解: 先思考和描述算法,也就是对明文4D 61 65 53 2D 4F 69 20 4E实现置换8,1,6,3,5,7,4,9,2。通过对数组赋值实现：

m(i)={4D 61 65 53 2D 4F 69 20 4E},i=1,2,3,…,9。
k(i)={8,1,6,3,5,7,4,9,2},i=1,2,3,…,9。
c(i)=m(k(i)), i=1,2,3,…,9。
c(1),c(2),…,c(9)为密文。

所以密文序列为：20 4D 4F 65 2D 69 53 4E 61。

幻方密码加密解密过程：

…

注意：密钥通过生成的2n+1阶幻方得到

import java.io.*;

public class Experiment2 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //获取3阶幻方对应的置换
        int[] key = getMagicTrans(createMagicSquare(3));

        //读取本地txt文件中转置加密的明文，进行转置加密
        File transFile = new File("C:/Users/CD4356/Desktop/transposition.txt");
        transposition(transFile, key);

        //读取本地txt文件幻方加密的明文，进行幻方加密
        File magicFile = new File("C:/Users/CD4356/Desktop/magic_square.txt");
        magicSquare(magicFile, key);
    }

    //置换加密
    public static void transposition(File transFile, int[] key) throws IOException{
        String[] plainText = readTxt(transFile);
        System.out.println("\n\n置换加密的明文: ");
        for (int i = 0; i < plainText.length; i++) {
            System.out.print(plainText[i] + " ");
        }
        //将加密后的密文保存到.txt文件中，并以空格隔开
        FileWriter writer = new FileWriter(new File("C:/Users/CD4356/Desktop/trans.txt"));
        System.out.println("\n置换加密的密文: ");
        for (int i = 0; i < key.length; i++) {
            System.out.print(plainText[key[i]-1] + " ");
            if(i == key.length - 1){
                writer.write(plainText[key[i]-1]);
            } else {
                writer.write(plainText[key[i]-1] + " ");
            }
        }
        //释放资源
        writer.close();
    }

    //幻方加密
    private static void magicSquare(File magicFile, int[] key) throws IOException{
        //获取明文字符串数组
        String[] plainText = readTxt(magicFile);
        System.out.println("\n\n幻方加密的明文: ");
        for (int i = 0; i < plainText.length; i++) {
            System.out.print(plainText[i] + " ");
        }
        //将加密后的密文保存到.txt文件中
        FileWriter writer = new FileWriter(new File("C:/Users/CD4356/Desktop/Magic.txt"));
        //对明文进行加密，并保存到strArr字符数组中
        String[] strArr = new String[plainText.length];
        for (int i = 0; i < key.length; i++) {
            strArr[key[i]-1] = plainText[i];
        }
        System.out.println("\n幻方加密的密文: ");
        for (int i = 0; i < key.length; i++) {
            System.out.print(strArr[i] + " ");
            if(i == key.length - 1){ //字符间以空格隔开，末尾不能留有空格
                writer.write(strArr[i]);
            } else {
                writer.write(strArr[i] + " ");
            }
        }
        System.out.println("");
        //释放资源
        writer.close();
    }

    //生成奇数阶幻方，可以是3、5、7、... 、2n+1阶
    public static int[][] createMagicSquare(int k){
        int[][] magicArr = new int[k][k];
        int x = 0;
        int y = k/2;
        int total = k*k;
        for (int i = 1; i <= total; i++) {
            magicArr[x][y] = i;
            int m = (x-1+k)%k;
            int n = (y+1)%k;
            if (magicArr[m][n]>0) {
                x = (x+1)%k;
            }else{
                x= m;
                y= n;
            }
        }
        System.out.println("生成的3阶幻方：");
        for (int i = 0; i < magicArr.length; i++) {
            for (int j = 0; j < magicArr.length; j++) {
                System.out.print(magicArr[i][j] + " ");
            }
            System.out.println("");
        }
        return magicArr;
    }

    //幻方对应的置换
    public static int[] getMagicTrans(int[][] arr){
        int[] res = new int[(int) Math.pow(arr.length, 2)];
        int index = 0;
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            for (int j = 0; j < arr.length; j++) {
                res[index++] = arr[i][j];
            }
        }
        System.out.println("\n密钥：");
        for (int i = 0; i < res.length; i++) {
            System.out.print(res[i] + " ");
        }
        return res;
    }


    //读取.txt文件中的明文
    public static String[] readTxt(File file) throws IOException{
        //通过字符流读取.txt
        BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader(file));
        //将读取到的明文以空格进行分割，并保存到字符串数组中
        String[] plainText = br.readLine().split(" ");
        //释放资源
        br.close();
        return plainText;
    }
}