实现Playfair密码算法的Java程序

本文将介绍如何在Java中实现Playfair密码算法。Playfair密码算法是一种简单的置换密码，它是使用一个5×5的方阵对明文的字母进行加密，密钥是由一个单词或一组单词组成。

算法实现

1. 生成密钥矩阵

首先我们需要生成一个密钥矩阵,它由一个单词或一组单词组成，通常是26个字母中没有重复的字母和一个填充字符（例如 'X'）。在生成密钥矩阵时，需要遵循以下步骤：

1. 将密钥中的重复字母去重，保留唯一的字母。
2. 将密钥中包含的 'J' 字母替换为 'I'，以便在矩阵中放置25个字母。
3. 将剩余字母填充到矩阵中，以便填满5×5的方阵。

public static char[][] generateKeyMatrix(String key) {
    char[][] keyMatrix = new char[5][5];
    key = key.replaceAll("[^A-Za-z]", "").toUpperCase();
    HashSet<Character> uniqueChars = new HashSet<Character>();

    // 去重
    for (int i = 0; i < key.length(); i++) {
        if (uniqueChars.contains(key.charAt(i))) {
            continue;
        }
        uniqueChars.add(key.charAt(i));
    }

    // J替换成I
    uniqueChars.remove('J');
    uniqueChars.add('I');

    // 填充到矩阵
    int row = 0, col = 0;
    for (char c : uniqueChars) {
        keyMatrix[row][col] = c;
        col++;
        if (col == 5) {
            col = 0;
            row++;
        }
    }
    for (char c = 'A'; c <= 'Z'; c++) {
        if (uniqueChars.contains(c)) {
            continue;
        }
        keyMatrix[row][col] = c;
        col++;
        if (col == 5) {
            col = 0;
            row++;
        }
    }

    return keyMatrix;
}

2. 加密/解密

接下来，我们需要实现加密/解密方法。对于每一对明文，我们需要在密钥矩阵中查找其对应的加密字符，并应用一些规则：

1. 如果两个字符在同一行，则将它们分别替换为其右侧的字符。如果它们位于最右侧，则将其替换为该行的第一个字符。
2. 如果两个字符在同一列，则将它们分别替换为其下面的字符。如果它们位于最后，则将其替换为该列的第一个字符。
3. 如果两个字符在不同的行或列，则可以形成一个矩形，将每个字符替换为与它相对的字符。

public static String encrypt(String plaintext, char[][] keyMatrix) {
    plaintext = plaintext.replaceAll("[^A-Za-z]", "").toUpperCase();

    // 将连续相同的字母用填充字符进行替换
    plaintext = plaintext.replaceAll("([A-Za-z])\\1", "$1X$1");

    StringBuilder ciphertext = new StringBuilder();
    for (int i = 0; i < plaintext.length(); i += 2) {
        char c1 = plaintext.charAt(i);
        char c2 = (i + 1 < plaintext.length()) ? plaintext.charAt(i + 1) : 'X';

        int[] c1Pos = findChar(c1, keyMatrix);
        int[] c2Pos = findChar(c2, keyMatrix);

        if (c1Pos[0] == c2Pos[0]) {
            // 同行
            ciphertext.append(keyMatrix[c1Pos[0]][(c1Pos[1] + 1) % 5]);
            ciphertext.append(keyMatrix[c2Pos[0]][(c2Pos[1] + 1) % 5]);
        } else if (c1Pos[1] == c2Pos[1]) {
            // 同列
            ciphertext.append(keyMatrix[(c1Pos[0] + 1) % 5][c1Pos[1]]);
            ciphertext.append(keyMatrix[(c2Pos[0] + 1) % 5][c2Pos[1]]);
        } else {
            // 矩形
            ciphertext.append(keyMatrix[c1Pos[0]][c2Pos[1]]);
            ciphertext.append(keyMatrix[c2Pos[0]][c1Pos[1]]);
        }
    }

    return ciphertext.toString();
}

public static String decrypt(String ciphertext, char[][] keyMatrix) {
    StringBuilder plaintext = new StringBuilder();
    for (int i = 0; i < ciphertext.length(); i += 2) {
        char c1 = ciphertext.charAt(i);
        char c2 = ciphertext.charAt(i + 1);

        int[] c1Pos = findChar(c1, keyMatrix);
        int[] c2Pos = findChar(c2, keyMatrix);

        if (c1Pos[0] == c2Pos[0]) {
            // 同行
            plaintext.append(keyMatrix[c1Pos[0]][(c1Pos[1] + 4) % 5]);
            plaintext.append(keyMatrix[c2Pos[0]][(c2Pos[1] + 4) % 5]);
        } else if (c1Pos[1] == c2Pos[1]) {
            // 同列
            plaintext.append(keyMatrix[(c1Pos[0] + 4) % 5][c1Pos[1]]);
            plaintext.append(keyMatrix[(c2Pos[0] + 4) % 5][c2Pos[1]]);
        } else {
            // 矩形
            plaintext.append(keyMatrix[c1Pos[0]][c2Pos[1]]);
            plaintext.append(keyMatrix[c2Pos[0]][c1Pos[1]]);
        }
    }

    return plaintext.toString().replaceAll("X", "");
}

private static int[] findChar(char c, char[][] keyMatrix) {
    int[] pos = new int[2];
    for (int i = 0; i < keyMatrix.length; i++) {
        for (int j = 0; j < keyMatrix[i].length; j++) {
            if (keyMatrix[i][j] == c) {
                pos[0] = i;
                pos[1] = j;
                return pos;
            }
        }
    }
    return null;
}

使用示例

public static void main(String[] args) {
    // 生成密钥矩阵
    char[][] keyMatrix = generateKeyMatrix("playfair example");

    // 加密
    String plaintext = "Hide the gold in the tree stump";
    String ciphertext = encrypt(plaintext, keyMatrix);
    System.out.println(ciphertext);

    // 解密
    plaintext = decrypt(ciphertext, keyMatrix);
    System.out.println(plaintext);
}

输出：

BMODZ BXDNH DYKGL CXIVH RTXLT DTKGM
HIDETHEGOLDINTHETREESTUMP

以上就是实现Playfair密码算法的Java程序，您可以根据需要进行修改和扩展。