[암호 프로토콜] 시저암호 | Caesar Cipher | Caesar | 카이사르 암호

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카이사르(시저)암호

카이사르 암호는 암호화하고자 하는 내용을 알파벳별로 일정한 거리만큼 밀어서 다른 알파벳으로 치환하는 방식이다.
예를 들어 3글자씩 밀어내는 카이사르 암호로 'COME TO ROME'을 암호화하면 'FRPH WR URPH'가 된다.

여기서 밀어내는 글자 수는 암호를 보내는 사람과 함께 정해 더 어려운 암호를 만들 수 있다. 이런 카이사르 암호는 순환암호라고 한다. 예를 들어 위의 카이사르 암호로 'RUSQHUVKBVEHQIIQIYDQJEH' 라는 암호를 받았을 경우, 해독하면 BECAREFULFORASSASINATOR, 암살자를 조심하라는 뜻이 된다. (출처 : 위키백과)

카이사르 암호는 단순하고 간단하여 일반인도 쉽게 사용할 수 있지만, 철자의 빈도와 자주 사용되는 단어와 형태를 이용하면 쉽게 풀 수 있다는 단점이 있다.

 

Caesar Cipher의 알고리즘

Caesar 암호 알고리즘은 다음과 같은 특징을 가지고 있다.

• Caesar Cipher Technique는 간단하고 쉬운 암호화 기법이다.

• 단순한 유형의 대체 암호이다.

• 일반 텍스트의 각 문자는 알파벳으로 아래로 고정 된 숫자가있는 문자로 대체된다.

 

다음 다이어그램은 Caesar 암호 알고리즘 구현의 작동을 설명한다.

 

설명

일반 텍스트 문자는 한 번에 하나씩 순회한다.

• 주어진 일반 텍스트의 각 문자에 대해 텍스트의 암호화 및 복호화 절차에 따라 규칙에 따라 주어진 문자를 변환한다.

• 단계를 수행 한 후 암호 텍스트라고하는 새 문자열이 생성됨.

 

알고리즘 실습 전 알고리즘에 필요한 몇 가지 지식을 알아보자.

 

ex) range의 차이

msg = 'hello world'    
size = len(msg)

for i in msg:
    print(i)
    
for i in range(size):
    print(i)

range뒤엔 str 형태가 올 수 없음

 

ex) find 함수

dic = 'abc'
index = dic.find('a') #return = 0
index = dic.find('b') #return = 1
index = dic.find('c') #return = 2
index = dic.find('x') #return = -1

print(index)

find 함수는 해당 값이 존재 한다면 그 값의 번호(index)값을 반환하고, 값이 존재하지 않는다면 -1을 반환한다.

위 결과는 'c'를 출력해보고, 'b'를 출력했을 때의 결과이다.

 

 

 

알고리즘 구현

def encrypt_caesar(msg,key):
    m_size = len(msg)
    ans = ''
    word = 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyz' #간단하게 소문자로만 구성하였음(평문이 소문자라서)
    for i in msg: #->hello world를 한 글자씩 출력
        index = word.find(i) # word중 msg 글자에 해당하는 단어가 있다면 index에 넣어준다. index 즉 숫자 형태로 들어감.
        #print(index) ->index 확인용
        if(index == -1): #해당하는 값이 없다면
            ans = ans + i # 그 없는 값 자체를 ans에 넣겠다. -> 즉 평문에서 공백에 해당
        else:
            index = index + key #key값 만큼 Index를 이동시키는 것.
            index = index % len(word) #index 값이 넘칠 일은 없지만 key를 더해주면 word크기를 벗어날 수 있음.
            ans = ans + word[index] #단어 사전 중 키를 더해준 장소에 있는 알파벳을 ans에 넣어주는 
        
    return ans
     
def decrypt_caesar(enc, key):
    e_size = len(enc)
    ans = ''
    word = 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyz'
    
    for i in enc:
        index = word.find(i)
        if(index == -1):
            ans = ans + i #그대로 문자를 넣어줌 (공백)
        else:
            index = index - key #다시 돌리는 것!
            index = index % len(word)
            ans = ans + word[index]
    
    return ans
    

def main():
    msg = 'hello world'
    key = 3 #key는 숫자형태
    enc = encrypt_caesar(msg, key)
    dec = decrypt_caesar(enc, key)
    print("원문 : ",msg)
    print("암호화 : ",enc)
    print("복호화 : ",dec)

main()

 

처음 돌아가는 알고리즘을 풀어서 설명하자면 hello world중 첫 번째 글자인 h가 i(변수)로 들어온다.

h 는 word내에 있기 때문에 index에 들어간다. index = 7(a=0, b=1, c=2 ..) 
index 가 -1이 아니므로, else 문으로 이동
7 + key = 10 
10 = 10 % 25(알파벳 수) = 10
# 이 줄이 있는 이유는 index 가 25인데 키가 3인 경우 25를 벗어나기 때문에 28 = 28 % 25 = 3 이 되라고 있는 기능

그리고 ans 에 word[10]번째 즉, k 를 넣어준다. 

즉 ans 에 첫 글자 = h 에서 키값(3) 을 옮긴 "k"

 

결과(암호화 문자열의 첫 글자가 k 인것을 확인할 수 있다.)

 

byte 단위로 알고리즘 구현

앞서 bytearray와 encode, decode의 관계를 테스트 하기 위해 다음과 같은 코드를 테스트 해보았다.

ans = bytearray()
msg = b'hello world'
for i in msg:
    print(i)
    ans.append(i)
    print(ans)
#이걸로 알 수 있는 건 encode되면 값을 아스키로 빼줌, 다시 이걸 ans 에 넣으면
#bytearray는 이를 decode한 것 처럼 다시 문자로 받아줌.

# =============================================================================
# 위 코드의 대한 결과 값
# 104
# bytearray(b'h')
# 101
# bytearray(b'he')
# 108
# bytearray(b'hel')
# 108
# bytearray(b'hell')
# 111
# bytearray(b'hello')
# 32
# bytearray(b'hello ')
# 119
# bytearray(b'hello w')
# 111
# bytearray(b'hello wo')
# 114
# bytearray(b'hello wor')
# 108
# bytearray(b'hello worl')
# 100
# bytearray(b'hello world')
# =============================================================================

 

위 코드를 통해  msg를 encode()해서 보내면 b'hello world' 즉 바이트 형태로 가게 되고,

이의 값을 하나하나 뽑아보면 ascii형태로 되어 있다는 것을 알 수 있다.

 

또한 bytearray안에 ascii값을 넣으면 byte형태 즉 문자 형태로 나타내 준다는 것도 알 수 있다.

 

이를 토대로 byte형태 암호 알고리즘을 구현해보도록 하자

def encrypt_caesar(msg,key):
    m_size = len(msg)
    ans = bytearray()
    word = 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyz'
      
    for i in msg: #encode된 msg는 ascii값을 가지고 있다.
        index = word.find(chr(i)) #chr(숫자) -> 문자 즉, word안에 해당하는 문자 찾기 위해 형변환 해준것, i가 현재 숫자이기 때문
        if(index == -1):
            ans.append(i)
        else:
            index = index + key
            index = index % len(word)
            ans.append(ord(word[index])) #ord(문자) -> 숫자. 즉 append 해서 값 넣어줄 땐 다시 ascii값으로 변경해줌.
    return ans
     
def decrypt_caesar(enc, key):
    e_size = len(enc)
    ans = bytearray()
    word = 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyz'
    
    for i in enc: 
        index = word.find(chr(i)) 
        if(index == -1):
            ans.append(i)
        else:
            index = index - key
            index = index % len(word)
            ans.append(ord(word[index])) 
    return ans

def main():
    msg = 'hello world'
    key = 3 #key는 숫자형태
    enc = encrypt_caesar(msg.encode(), key)
    dec = decrypt_caesar(enc, key)
    
    print("\n------------------------------------------")
    print("키 : ",key)
    print("원문 : ",msg)
    
    print("암호문 : ",enc.decode())
    print("완전한 복호화 : ",dec.decode())
    
    print("\n(형변환x)암호화 : ",enc)
    print("(형변환x)복호화 : ",dec)
    print("------------------------------------------")

main()

 

결과

 

Caesar Cipher 알고리즘 해킹

암호문은 다양한 가능성으로 해킹 될 수 있다. 

이러한 가능성 중 하나는 가능한 모든 암호 해독 키를 시도하는 Brute Force Technique 이다.

 

이 기술은 많은 노력이 필요하지 않으며 해커에게는 비교적 간단하다. Caesar 암호 알고리즘을 해킹하기위한 프로그램 구현은 다음과 같다.

message = 'GIEWIVrGMTLIVrHIQS' #encrypted message
LETTERS = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ'

for key in range(len(LETTERS)):
   translated = ''
   for symbol in message:
      if symbol in LETTERS:
         num = LETTERS.find(symbol)
         num = num - key
         if num < 0:
            num = num + len(LETTERS)
         translated = translated + LETTERS[num]
      else:
         translated = translated + symbol
print('Hacking key #%s: %s' % (key, translated))

#이 알고리즘은 키의 갯수만큼 모든 경우를 다 구해서 값을 예상하여 출력 시

 

이전 예에서 암호화 된 암호 텍스트를 고려하고,

그런 다음 키로 가능한 해킹 방법과 무차별 대입 공격 기법을 사용한 출력은 다음과 같다.

 

https://www.tutorialspoint.com/cryptography_with_python/cryptography_with_python_caesar_cipher.htm