论文总字数：19688字

摘 要

密码的研究在当今这个信息安全日益重要的时代是一个热点。本文设计了一种基于长短期记忆网络模型的自动化重构密码解密机制的方法。模型以明密文及密钥作为训练数据，对解密算法即密文到明文的映射进行学习。通过保留密钥以及改变明文长度的方法防止模型过拟合并对模型进行泛化性测试。实验结果表明，本文的模型能够重构密码的解密算法，对于维吉尼亚密码和自动密钥密码的测试准确率可以到达99%，对于恩尼格玛密码的测试准确率可以到达90%，并且都具有一定的泛化能力。结果证明，本文的方法可以对黑盒多表代换密码的解密机制进行破译。

关键词：长短期记忆网络；多表代换密码；密码破译

Password Deciphering Method Based on Deep Learning

Abstract

The study of passwords is a hotspot in this day and age when information security is increasingly important. In this paper, we design a method for automated reconstruction of cryptographic decryption mechanisms based on a LSTM network model. The model learns the decryption algorithms, the mappings from plaintext to ciphertext, using plaintext and key as training data. Overfitting of the model is prevented by using unseen key and changing the length of the plaintext. Experimental results show that the model in this paper can reconstruct the decryption algorithms of ciphers, with a test accuracy of 99% for Virginia ciphers and Autokey key ciphers, and 90% for Enigma ciphers, and both have some generalization capability. It is proved that the method of this paper can decipher the decryption mechanism of the black box polyalphabetic ciphers.

Key Words: Long Short-Term Memory; polyalphabetic ciphers; password decipherin

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.1.1 多表代换密码 1

1.1.2 恩尼格码密码 2

1.1.3 机器翻译 3

1.2 国内外研究现状 3

1.3 本文的工作 4

第二章 相关技术介绍 5

2.1 前馈神经网络 5

2.2 循环神经网络 5

2.3 长短期记忆网络 6

2.4 相关机器学习技术 8

2.4.1 one-hot编码 8

2.4.2 全连接层 8

2.4.3 softmax 8

第三章 实验方案设计与实现 9

3.1 问题描述 9

3.2 主要技术流程 11

3.3 模型设计 11

3.4 数据设计 13

3.4.1 数据内容 13

3.4.2 数据格式 13

3.4.3 数据输入 14

3.5 实现工具 16

3.6 实验设计 16

3.6.1 实验流程设计 16

3.6.2 实验数据产生 17

3.6.3 防止过拟合 19

3.6.4 其他细节 20

第四章 实验结果及分析 21

4.1 维吉尼亚密码 21

4.2 自动密钥密码 24

4.3 恩尼格玛密码 26

第五章 总结与展望 29

5.1 全文总结 29

5.2 工作展望 29

参考文献 30

绪论

研究背景与意义

自从人类开始相互传递信息以来，便有了保护信息不被窃取的需求，人们开始使用物理设备来辅助加密，例如古希腊时期的密码棒、密码盘等。这种实践需要导致密码学诞生，密码通过加密传输信息从而保证信息传递的安全性。由密码学衍生出的涉及信息的机密性、完整性的技术无时无刻不在保卫着我们生活中的各种信息的安全。在高度信息化的今天，密码研究的重要性也随着信息安全的重要性与日俱增。

密码是一种步骤定义明确的对信息进行加密或解密的算法。明文、密文以及密钥是密码的三个组成部分。明文是指未经处理并能够被人们所理解的原始信息，而密文则是经过密码的加密算法处理后所获得的加密信息。密钥则是加密过程的辅助信息，具体的加密过程会因密钥而改变。

密码学可分为古典密码学和现代密码学。前者通常只考虑消息的机密性，通过复杂的加密设备如密码盘、转轮机等将可理解的消息加密为不可理解的消息，二战中纳粹德国所使用的恩尼格玛密码机就是一种很著名的古典密码学的加密设备。而后者则涵盖身份认证、数字签名以及交互证明等技术。尽管很多古典密码已经不再使用，但是二者在很多方面仍然存在联系，如寻找密码弱点的方法、加密算法与密钥的关系等。因此对古典密码学的研究仍具有很大的现实意义与价值。

多表代换密码

多表代换密码是古典密码学中一种十分重要的密码，其特征是依次序按照代换表对明文信息的字母进行代换从而实现加密。其中有两种较为著名也是本文所涉及的密码：维吉尼亚密码和自动密钥密码。

维吉尼亚密码的设计是基于凯撒密码以及表格法进行设计的，在维吉尼亚密码中，相同的明文字符可被映射到不同的密文字符，从而将信息中字符出现的频率隐蔽以及均匀化。由于维吉尼亚密码的密钥是循环重复的，因此针对它的破译方法都是以字母频率为主的，如卡西斯基试验、弗里德曼试验、频率分析。

自动密钥密码是一种更强的维吉尼亚密码的变体，它将明文信息最为自身密钥的一部分，从而使得明密文之间的映射关系即加密过程更加复杂和难以破解。这两种密码在现代密码密码学出现之前都在军事和民用领域应用广泛。

恩尼格码密码

在二战中，德军使用的一种密码让盟军吃尽了苦头，它就是恩尼格玛密码。恩尼格玛密码是由恩尼格玛密码机产生的，属于密码学对称加密算法的流加密。恩尼格玛密码机是一种使用一些列转子机械结构的加解密机器，其内部结构非常复杂，主要由机械结构和电子系统组成。其机械结构如下图所示：

图 1-1 恩尼格玛密码机实物图

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