Python駭入加密技術基礎

本文以淺顯易懂的方式講解了密碼學的基礎知識，並透過Python程式設計引導讀者實作經典的加密和解密方法。從簡單的紙上密碼輪到凱撒密碼和易位密碼，循序漸進地揭示了這些加密技術的運作原理和破解技巧。同時，本文也強調了程式設計的基礎概念，如變數、資料型態、迴圈、條件判斷等，幫助讀者建立紮實的程式設計基礎，並將其應用於密碼學的實踐。

解密Python：駭入加密技術的基礎

在電影和電視劇中，駭客行為總是被描繪成充滿刺激和神秘的樣子，快速敲擊鍵盤，螢幕上飛速滾動著難以理解的數字和程式碼。這讓駭客行為看起來像是某種魔術，需要超乎常人的智慧才能掌握。但事實上，駭客行為並非魔術，而是根據電腦運作的邏輯原理，這些原理是可以被學習和理解的。無論是當你不理解某些現象，還是電腦出現令人沮喪或神秘的行為，背後總是有原因的。

本文假設讀者對密碼學或程式設計一無所知，並逐步指導讀者如何編寫程式來破解加密訊息。書中使用的密碼技術大多是幾世紀前的產物，現代電腦已經具備破解這些加密訊息的運算能力。這些技術已經不再被現代組織或個人使用，因此學習這些內容不會帶來法律風險。

為初學者設計的Python程式語言

本文特別針對完全沒有程式設計經驗的初學者。我們使用Python這種程式語言來教授基本的程式設計概念。Python 是初學者學習程式設計的最佳語言：它簡單易讀，同時也是專業軟體開發人員常用的強大程式語言。Python 軟體可以從 http://python.org 免費下載，並且可以在 Linux、Windows、OS X 和 Raspberry Pi 上執行。

駭客精神的真諦

「駭客」一詞有兩種定義。一種是指深入研究系統（如密碼規則或軟體）以充分理解它的人，他們不受原始規則的限制，可以創造性地修改它以創造新的用法。另一種是指非法入侵電腦系統、侵犯他人隱私並造成損害的犯罪者。本文使用「駭客」的第一種定義。駭客是酷的，而犯罪者只是認為自己透過破壞東西而變得聰明的人。

加密技術的限制

不要使用本文中的加密程式來保護您的實際檔案。這些程式很有趣，但不提供真正的安全性。一般來說，您不應該信任自己創造的密碼技術。正如傳奇密碼學家 Bruce Schneier 所說：「從最無知的業餘愛好者到最好的密碼學家，任何人都可以創造一個他自己無法破解的演算法。這並不難。難的是創造一個其他人無法破解的演算法，即使經過多年的分析。證明這一點的唯一方法是讓最好的密碼學家進行多年的分析。」

本文的授權與聯絡方式

本文採用創用CC授權，可以免費複製和分發（只要不收費）。您可以從其網站 http://inventwithpython.com/hacking 免費下載本文。如果您對這些程式的工作原理有疑問，請隨時透過 [email protected] 與我聯絡。

內容解密：

本文主要介紹如何使用Python語言破解傳統加密技術，適合完全沒有程式設計經驗的初學者。書中強調了駭客精神的真諦，並提醒讀者不要將書中的加密程式用於實際檔案的安全保護。同時，本文採用創用CC授權，讀者可以免費下載和使用。

現代密碼學入門：從紙上密碼工具到Python程式設計

在資訊安全領域，密碼學扮演著至關重要的角色。本文將帶領讀者從基礎的紙上密碼工具開始，逐步深入到使用Python進行密碼學程式設計的世界。

密碼學基礎

密碼學是研究如何保護資訊安全的科學，涵蓋了加密、解密以及相關的數學理論。瞭解密碼學的基本概念對於深入學習至關重要。

程式碼與密碼的區別

• 程式碼通常涉及用一個符號或詞語替換另一個，以隱藏訊息的含義。
• 密碼則是透過特定的演算法對原始訊息進行轉換，使其變得不可讀，以達到保密的目的。

製作紙上密碼工具

紙上密碼輪的製作

紙上密碼輪是一種簡單而有效的加密工具。透過製作兩個同心圓盤，並在上面標記字母，可以實作簡單的替換加密。

1. 準備材料：兩個不同大小的紙盤、剪刀、膠水、鉛筆。
2. 標記字母：在內外圓盤上分別標記字母，按照特定的順序排列。
3. 加密與解密：透過旋轉內外圓盤，可以實作字母的替換，從而進行加密和解密。

虛擬密碼輪

隨著技術的發展，虛擬密碼輪應運而生。它模擬了紙上密碼輪的功能，但提供了更多便利和靈活性。

使用Python進行密碼學程式設計

Python是一種功能強大的程式語言，非常適合用於密碼學的學習和實踐。

安裝Python

1. 下載Python安裝包：存取Python官方網站下載適合您作業系統的安裝包。
2. 安裝Python：執行安裝包，按照提示完成安裝。
3. 下載pyperclip.py：這是一個用於複製和貼上文字的Python模組，下載後將其放在Python的安裝目錄下。

使用IDLE進行程式設計

IDLE是Python自帶的一個整合開發環境（IDE），非常適合初學者使用。

1. 啟動IDLE：在開始選單或應用程式資料夾中找到IDLE並啟動它。
2. 編寫程式：在IDLE的編輯視窗中輸入Python程式碼。
3. 執行程式：按下F5鍵或點選“執行”選單中的“執行模組”來執行程式。

互動式Shell

互動式Shell是Python的一個強大功能，允許使用者直接輸入Python命令並立即看到結果。

基本數學運算

在互動式Shell中，可以進行基本的數學運算，如加、減、乘、除等。

>>> 2 + 3
5
>>> 4 * 5
20

變數與資料型別

Python中的變數用於儲存值，每個值都有其特定的資料型別，如整數、浮點數、字串等。

>>> x = 5
>>> y = "Hello"
>>> print(x)
5
>>> print(y)
Hello

字串操作

字串是Python中非常重要的一種資料型別，用於表示文字訊息。

字串連線與複製

可以使用+運算元連線兩個字串，使用*運算元複製字串。

>>> "Hello, " + "World!"
'Hello, World!'
>>> "Hi! " * 3
'Hi! Hi! Hi! '

索引與切片

可以透過索引存取字串中的單個字元，或透過切片取得子字串。

>>> s = "Hello"
>>> s[0]
'H'
>>> s[1:3]
'el'

編寫第一個程式

Hello World!

print("Hello, World!")

程式解析

1. print()函式：用於輸出文字到控制檯。
2. 字串：“Hello, World!“是一個字串，用於表示要輸出的文字。

第4章 程式基礎：輸出、輸入與程式結束

在程式設計中，輸出與輸入是基本且重要的功能。本章將介紹如何使用Python實作這些功能。

print() 函式

print() 函式用於輸出文字或變數的值至螢幕。它是Python中最基本的輸出方式。

input() 函式

input() 函式允許使用者輸入資料，並將其作為字串傳回。這個函式對於與使用者互動至關重要。

使用 input() 函式

user_input = input("請輸入您的名字：")
print("您好，", user_input)

內容解密：

1. input("請輸入您的名字：") 這行程式碼會在螢幕上顯示提示文字「請輸入您的名字：」，並等待使用者輸入。
2. 使用者輸入的內容會被指定給 user_input 變數。
3. print("您好，", user_input) 則會輸出問候語，其中包含使用者剛才輸入的名字。

結束程式

程式可以透過執行完所有指令或遇到特定的終止條件來結束。在Python中，可以使用 exit() 或 sys.exit() 來主動結束程式。

練習題

完成第4章的練習題，以鞏固對輸出、輸入和程式結束的理解。

第5章 反向加密法

反向加密法是一種簡單的加密技術，透過將明文反轉來達到加密的目的。

反向加密法程式原始碼

def reverse_cipher(text):
    return text[::-1]

text = input("請輸入要加密的文字：")
encrypted_text = reverse_cipher(text)
print("加密後的文字：", encrypted_text)

內容解密：

1. def reverse_cipher(text): 定義了一個名為 reverse_cipher 的函式，接受一個引數 text。
2. return text[::-1] 使用Python的切片功能將輸入的字串反轉，並傳回結果。
3. 程式要求使用者輸入要加密的文字，然後呼叫 reverse_cipher 函式進行加密，最後輸出加密後的結果。

len() 函式

len() 函式用於取得字串、列表或其他可迭代物件的長度。

while 迴圈介紹

while 迴圈允許程式重複執行一段程式碼，直到指定的條件不再滿足為止。

布林資料型態

布林資料型態只有兩個值：True 和 False。它常用於條件判斷。

比較運算元

比較運算元用於比較兩個值，並傳回布林結果。

第6章凱撒密碼

凱撒密碼是一種古老的加密技術，透過將明文中的每個字母按照一定的偏移量進行替換來實作加密。

實作凱撒密碼程式

def caesar_cipher(text, shift):
    result = ""
    for char in text:
        if char.isalpha():
            ascii_offset = 65 if char.isupper() else 97
            result += chr((ord(char) - ascii_offset + shift) % 26 + ascii_offset)
        else:
            result += char
    return result

text = input("請輸入要加密的文字：")
shift = int(input("請輸入偏移量："))
encrypted_text = caesar_cipher(text, shift)
print("加密後的文字：", encrypted_text)

內容解密：

1. 程式定義了一個 caesar_cipher 函式，用於對輸入的文字進行凱撒密碼加密。
2. 函式遍歷每個字元，如果是字母，則根據偏移量進行替換；如果不是字母，則保持不變。
3. 使用者需要輸入要加密的文字和偏移量，程式會輸出加密後的結果。

import 陳述式

import 陳述式用於匯入模組，以使用其中定義的函式、類別或變數。

常數

在程式設計中，常數是指在程式執行過程中不會改變的值。使用常數可以提高程式的可讀性和可維護性。

第6章與第7章內容整理與技術深度解析

本章節主要探討Python程式語言中的控制流程，包括for迴圈、while迴圈、if條件判斷等，並深入分析凱撒密碼的破解方法，特別是暴力破解技術的應用。

for迴圈與while迴圈的比較

在Python中，for迴圈通常用於遍歷序列（如列表、元組、字串等），而while迴圈則根據條件判斷是否繼續執行迴圈體。兩者可以相互轉換，但使用場景不同。

for迴圈範例

for i in range(5):
    print(i)

while迴圈等效寫法

i = 0
while i < 5:
    print(i)
    i += 1

內容解密：

1. for i in range(5): 使用range()函式生成一個序列，並由for迴圈自動迭代。
2. while迴圈需要手動初始化變數i並在迴圈內更新其值，以避免無限迴圈。
3. for迴圈更簡潔直觀，適合已知迭代次數的場景；while迴圈靈活性更高，適合條件複雜的情況。

條件判斷與字串操作

if、else及elif陳述式

用於根據不同條件執行不同的程式碼區塊。

x = 10
if x > 0:
    print("x is positive")
elif x == 0:
    print("x is zero")
else:
    print("x is negative")

內容解密：

1. if陳述式首先檢查條件是否成立。
2. elif允許多重條件檢查。
3. else處理所有條件都不成立的情況。

in與not in運算元

用於檢查元素是否存在於序列中。

my_list = [1, 2, 3]
print(2 in my_list)  # True
print(4 not in my_list)  # True

內容解密：

1. in檢查元素是否存在。
2. not in檢查元素是否不存在。

find()字串方法

用於查詢子字串的位置。

text = "Hello, World!"
print(text.find("World"))  # 7

內容解密：

1. 傳回子字串首次出現的索引。
2. 若未找到，傳回-1。

凱撒密碼及其破解

凱撒密碼是一種簡單的替換加密技術，透過將字母按固定偏移量進行替換來實作加密。

暴力破解技術

暴力破解是透過窮舉所有可能的金鑰來解密密鑰的方法。

破解程式範例

def caesar_hack(ciphertext):
    for key in range(26):
        plaintext = ""
        for char in ciphertext:
            if char.isalpha():
                shift = 65 if char.isupper() else 97
                plaintext += chr((ord(char) - shift - key) % 26 + shift)
            else:
                plaintext += char
        print(f"Key {key}: {plaintext}")

ciphertext = "Khoor, Zruog!"
caesar_hack(ciphertext)

內容解密：

1. 窮舉所有可能的金鑰（0至25）。
2. 對每個金鑰，遍歷密鑰中的每個字元並解密。
3. 輸出所有可能的明文結果。

易位密碼加密程式

易位密碼透過重新排列明文字母的位置來實作加密。

程式範例

def transposition_encrypt(message, key):
    ciphertext = [""] * key
    for col in range(key):
        pointer = col
        while pointer < len(message):
            ciphertext[col] += message[pointer]
            pointer += key
    return "".join(ciphertext)

message = "Common sense is not so common."
key = 8
print(transposition_encrypt(message, key))

內容解密：

1. 初始化一個列表，用於存放分欄後的密鑰。
2. 按欄位重新排列明文字元。
3. 將各欄位內容合併成最終的密鑰。

深入理解 Python 中的列表資料型態及其應用

Python 的列表（List）是一種強大且靈活的資料結構，用於儲存多個專案。本章節將探討列表的使用方法，包括建立、修改、操作列表，以及與其他資料型態的結合使用。

使用 list() 函式將 Range 物件轉換為列表

在 Python 中，range() 函式傳回一個 Range 物件，這是一種不可變的序列型別。若要將其轉換為可變的列表，可以使用 list() 函式。

# 將 Range 物件轉換為列表
range_object = range(1, 10)
list_from_range = list(range_object)
print(list_from_range)  # 輸出：[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

內容解密：

1. range(1, 10) 生成一個從 1 到 9 的 Range 物件。
2. list(range_object) 將 Range 物件轉換為列表。
3. print(list_from_range) 輸出轉換後的列表。

重新指定列表中的專案

列表中的專案可以被重新指定，這使得列表成為一種可變的資料結構。

# 重新指定列表中的專案
my_list = [1, 2, 3]
my_list[0] = 'a'
print(my_list)  # 輸出：['a', 2, 3]

內容解密：

1. my_list = [1, 2, 3] 建立一個包含三個數字的列表。
2. my_list[0] = 'a' 將列表的第一個專案重新指定為字串 'a'。
3. print(my_list) 輸出修改後的列表。

使用 len() 和 in 運算元操作列表

len() 函式傳回列表中的專案數量，而 in 運算元用於檢查某個專案是否存在於列表中。

# 使用 len() 和 in 運算元
my_list = ['a', 'b', 'c']
print(len(my_list))  # 輸出：3
print('a' in my_list)  # 輸出：True

內容解密：

1. len(my_list) 傳回列表 my_list 中的專案數量。
2. 'a' in my_list 檢查字串 'a' 是否存在於 my_list 中。

列錶串接和複製

使用 + 和 * 運算元可以對列表進行串接和複製操作。

# 列錶串接和複製
list1 = [1, 2]
list2 = [3, 4]
print(list1 + list2)  # 輸出：[1, 2, 3, 4]
print(list1 * 2)  # 輸出：[1, 2, 1, 2]

內容解密：

1. list1 + list2 將兩個列表串接成一個新的列表。
2. list1 * 2 將 list1 複製兩次並串接成一個新的列表。

布林運算元

在 Python 中，and 和 or 布林運算元用於組合條件判斷。

# 布林運算元範例
x = True
y = False
print(x and y)  # 輸出：False
print(x or y)   # 輸出：True

內容解密：

1. x and y 當且僅當兩個條件都為 True 時傳回 True。
2. x or y 當至少一個條件為 True 時傳回 True。