Renamed break.py to cipherbreak.py so it wasn't a reserved word.
[cipher-tools.git] / break.py
diff --git a/break.py b/break.py
deleted file mode 100644 (file)
index 7c27216..0000000
--- a/break.py
+++ /dev/null
@@ -1,479 +0,0 @@
-import string
-import collections
-import norms
-import logging
-from itertools import zip_longest, cycle
-from segment import segment, Pwords
-from multiprocessing import Pool
-
-from cipher import *
-
-# To time a run:
-#
-# import timeit
-# c5a = open('2012/5a.ciphertext', 'r').read()
-# timeit.timeit('keyword_break(c5a)', setup='gc.enable() ; from __main__ import c5a ; from cipher import keyword_break', number=1)
-# timeit.repeat('keyword_break_mp(c5a, chunksize=500)', setup='gc.enable() ; from __main__ import c5a ; from cipher import keyword_break_mp', repeat=5, number=1)
-
-
-english_counts = collections.defaultdict(int)
-with open('count_1l.txt', 'r') as f:
-    for line in f:
-        (letter, count) = line.split("\t")
-        english_counts[letter] = int(count)
-normalised_english_counts = norms.normalise(english_counts)
-
-english_bigram_counts = collections.defaultdict(int)
-with open('count_2l.txt', 'r') as f:
-    for line in f:
-        (bigram, count) = line.split("\t")
-        english_bigram_counts[bigram] = int(count)
-normalised_english_bigram_counts = norms.normalise(english_bigram_counts)
-
-english_trigram_counts = collections.defaultdict(int)
-with open('count_3l.txt', 'r') as f:
-    for line in f:
-        (trigram, count) = line.split("\t")
-        english_trigram_counts[trigram] = int(count)
-normalised_english_trigram_counts = norms.normalise(english_trigram_counts)
-
-
-with open('words.txt', 'r') as f:
-    keywords = [line.rstrip() for line in f]
-
-transpositions = collections.defaultdict(list)
-for word in keywords:
-    transpositions[transpositions_of(word)] += [word]
-
-def frequencies(text):
-    """Count the number of occurrences of each character in text
-    
-    >>> sorted(frequencies('abcdefabc').items())
-    [('a', 2), ('b', 2), ('c', 2), ('d', 1), ('e', 1), ('f', 1)]
-    >>> sorted(frequencies('the quick brown fox jumped over the lazy ' \
-         'dog').items()) # doctest: +NORMALIZE_WHITESPACE
-    [(' ', 8), ('a', 1), ('b', 1), ('c', 1), ('d', 2), ('e', 4), ('f', 1), 
-     ('g', 1), ('h', 2), ('i', 1), ('j', 1), ('k', 1), ('l', 1), ('m', 1), 
-     ('n', 1), ('o', 4), ('p', 1), ('q', 1), ('r', 2), ('t', 2), ('u', 2), 
-     ('v', 1), ('w', 1), ('x', 1), ('y', 1), ('z', 1)]
-    >>> sorted(frequencies('The Quick BROWN fox jumped! over... the ' \
-         '(9lazy) DOG').items()) # doctest: +NORMALIZE_WHITESPACE
-    [(' ', 8), ('!', 1), ('(', 1), (')', 1), ('.', 3), ('9', 1), ('B', 1), 
-     ('D', 1), ('G', 1), ('N', 1), ('O', 2), ('Q', 1), ('R', 1), ('T', 1), 
-     ('W', 1), ('a', 1), ('c', 1), ('d', 1), ('e', 4), ('f', 1), ('h', 2), 
-     ('i', 1), ('j', 1), ('k', 1), ('l', 1), ('m', 1), ('o', 2), ('p', 1), 
-     ('r', 1), ('t', 1), ('u', 2), ('v', 1), ('x', 1), ('y', 1), ('z', 1)]
-    >>> sorted(frequencies(sanitise('The Quick BROWN fox jumped! over... ' \
-         'the (9lazy) DOG')).items()) # doctest: +NORMALIZE_WHITESPACE
-    [('a', 1), ('b', 1), ('c', 1), ('d', 2), ('e', 4), ('f', 1), ('g', 1), 
-     ('h', 2), ('i', 1), ('j', 1), ('k', 1), ('l', 1), ('m', 1), ('n', 1), 
-     ('o', 4), ('p', 1), ('q', 1), ('r', 2), ('t', 2), ('u', 2), ('v', 1), 
-     ('w', 1), ('x', 1), ('y', 1), ('z', 1)]
-    >>> frequencies('abcdefabcdef')['x']
-    0
-    """
-    #counts = collections.defaultdict(int)
-    #for c in text: 
-    #    counts[c] += 1
-    #return counts
-    return collections.Counter(c for c in text)
-letter_frequencies = frequencies
-
-
-
-def caesar_break(message, 
-                 metric=norms.euclidean_distance, 
-                 target_counts=normalised_english_counts, 
-                 message_frequency_scaling=norms.normalise):
-    """Breaks a Caesar cipher using frequency analysis
-    
-    >>> caesar_break('ibxcsyorsaqcheyklxivoexlevmrimwxsfiqevvmihrsasrxliwyrh' \
-          'ecjsppsamrkwleppfmergefifvmhixscsymjcsyqeoixlm') # doctest: +ELLIPSIS
-    (4, 0.080345432737...)
-    >>> caesar_break('wxwmaxdgheetgwuxztgptedbgznitgwwhpguxyhkxbmhvvtlbhgtee' \
-          'raxlmhiixweblmxgxwmhmaxybkbgztgwztsxwbgmxgmert') # doctest: +ELLIPSIS
-    (19, 0.11189290326...)
-    >>> caesar_break('yltbbqnqnzvguvaxurorgenafsbezqvagbnornfgsbevpnaabjurer' \
-          'svaquvzyvxrnznazlybequrvfohgriraabjtbaruraprur') # doctest: +ELLIPSIS
-    (13, 0.08293968842...)
-    """
-    sanitised_message = sanitise(message)
-    best_shift = 0
-    best_fit = float("inf")
-    for shift in range(26):
-        plaintext = caesar_decipher(sanitised_message, shift)
-        counts = message_frequency_scaling(letter_frequencies(plaintext))
-        fit = metric(target_counts, counts)
-        logger.debug('Caesar break attempt using key {0} gives fit of {1} '
-                      'and decrypt starting: {2}'.format(shift, fit, plaintext[:50]))
-        if fit < best_fit:
-            best_fit = fit
-            best_shift = shift
-    logger.info('Caesar break best fit: key {0} gives fit of {1} and '
-                'decrypt starting: {2}'.format(best_shift, best_fit, 
-                    caesar_decipher(sanitised_message, best_shift)[:50]))
-    return best_shift, best_fit
-
-def affine_break(message, 
-                 metric=norms.euclidean_distance, 
-                 target_counts=normalised_english_counts, 
-                 message_frequency_scaling=norms.normalise):
-    """Breaks an affine cipher using frequency analysis
-    
-    >>> affine_break('lmyfu bkuusd dyfaxw claol psfaom jfasd snsfg jfaoe ls ' \
-          'omytd jlaxe mh jm bfmibj umis hfsul axubafkjamx. ls kffkxwsd jls ' \
-          'ofgbjmwfkiu olfmxmtmwaokttg jlsx ls kffkxwsd jlsi zg tsxwjl. jlsx ' \
-          'ls umfjsd jlsi zg hfsqysxog. ls dmmdtsd mx jls bats mh bkbsf. ls ' \
-          'bfmctsd kfmyxd jls lyj, mztanamyu xmc jm clm cku tmmeaxw kj lai kxd ' \
-          'clm ckuxj.') # doctest: +ELLIPSIS
-    ((15, 22, True), 0.0598745365924...)
-    """
-    sanitised_message = sanitise(message)
-    best_multiplier = 0
-    best_adder = 0
-    best_one_based = True
-    best_fit = float("inf")
-    for one_based in [True, False]:
-        for multiplier in range(1, 26, 2):
-            for adder in range(26):
-                plaintext = affine_decipher(sanitised_message, 
-                                            multiplier, adder, one_based)
-                counts = message_frequency_scaling(letter_frequencies(plaintext))
-                fit = metric(target_counts, counts)
-                logger.debug('Affine break attempt using key {0}x+{1} ({2}) '
-                             'gives fit of {3} and decrypt starting: {4}'.
-                             format(multiplier, adder, one_based, fit, 
-                                    plaintext[:50]))
-                if fit < best_fit:
-                    best_fit = fit
-                    best_multiplier = multiplier
-                    best_adder = adder
-                    best_one_based = one_based
-    logger.info('Affine break best fit with key {0}x+{1} ({2}) gives fit of {3} '
-                'and decrypt starting: {4}'.format(
-                    best_multiplier, best_adder, best_one_based, best_fit, 
-                    affine_decipher(sanitised_message, best_multiplier, 
-                        best_adder, best_one_based)[:50]))
-    return (best_multiplier, best_adder, best_one_based), best_fit
-
-def keyword_break(message, 
-                  wordlist=keywords, 
-                  metric=norms.euclidean_distance, 
-                  target_counts=normalised_english_counts, 
-                  message_frequency_scaling=norms.normalise):
-    """Breaks a keyword substitution cipher using a dictionary and 
-    frequency analysis
-
-    >>> keyword_break(keyword_encipher('this is a test message for the ' \
-          'keyword decipherment', 'elephant', 1), \
-          wordlist=['cat', 'elephant', 'kangaroo']) # doctest: +ELLIPSIS
-    (('elephant', 1), 0.1066453448861...)
-    """
-    best_keyword = ''
-    best_wrap_alphabet = True
-    best_fit = float("inf")
-    for wrap_alphabet in range(3):
-        for keyword in wordlist:
-            plaintext = keyword_decipher(message, keyword, wrap_alphabet)
-            counts = message_frequency_scaling(letter_frequencies(plaintext))
-            fit = metric(target_counts, counts)
-            logger.debug('Keyword break attempt using key {0} (wrap={1}) '
-                         'gives fit of {2} and decrypt starting: {3}'.format(
-                             keyword, wrap_alphabet, fit, 
-                             sanitise(plaintext)[:50]))
-            if fit < best_fit:
-                best_fit = fit
-                best_keyword = keyword
-                best_wrap_alphabet = wrap_alphabet
-    logger.info('Keyword break best fit with key {0} (wrap={1}) gives fit of '
-                '{2} and decrypt starting: {3}'.format(best_keyword, 
-                    best_wrap_alphabet, best_fit, sanitise(
-                        keyword_decipher(message, best_keyword, 
-                                         best_wrap_alphabet))[:50]))
-    return (best_keyword, best_wrap_alphabet), best_fit
-
-def keyword_break_mp(message, 
-                     wordlist=keywords, 
-                     metric=norms.euclidean_distance, 
-                     target_counts=normalised_english_counts, 
-                     message_frequency_scaling=norms.normalise, 
-                     chunksize=500):
-    """Breaks a keyword substitution cipher using a dictionary and 
-    frequency analysis
-
-    >>> keyword_break_mp(keyword_encipher('this is a test message for the ' \
-          'keyword decipherment', 'elephant', 1), \
-          wordlist=['cat', 'elephant', 'kangaroo']) # doctest: +ELLIPSIS
-    (('elephant', 1), 0.106645344886...)
-    """
-    with Pool() as pool:
-        helper_args = [(message, word, wrap, metric, target_counts, 
-                        message_frequency_scaling) 
-                       for word in wordlist for wrap in range(3)]
-        # Gotcha: the helper function here needs to be defined at the top level 
-        #   (limitation of Pool.starmap)
-        breaks = pool.starmap(keyword_break_worker, helper_args, chunksize) 
-        return min(breaks, key=lambda k: k[1])
-
-def keyword_break_worker(message, keyword, wrap_alphabet, metric, target_counts, 
-                      message_frequency_scaling):
-    plaintext = keyword_decipher(message, keyword, wrap_alphabet)
-    counts = message_frequency_scaling(letter_frequencies(plaintext))
-    fit = metric(target_counts, counts)
-    logger.debug('Keyword break attempt using key {0} (wrap={1}) gives fit of '
-                 '{2} and decrypt starting: {3}'.format(keyword, 
-                     wrap_alphabet, fit, sanitise(plaintext)[:50]))
-    return (keyword, wrap_alphabet), fit
-
-def scytale_break(message, 
-                  metric=norms.euclidean_distance, 
-                  target_counts=normalised_english_bigram_counts, 
-                  message_frequency_scaling=norms.normalise):
-    """Breaks a Scytale cipher
-    
-    >>> scytale_break('tfeulchtrtteehwahsdehneoifeayfsondmwpltmaoalhikotoere' \
-           'dcweatehiplwxsnhooacgorrcrcraotohsgullasenylrendaianeplscdriioto' \
-           'aek') # doctest: +ELLIPSIS
-    (6, 0.092599933059...)
-    """
-    best_key = 0
-    best_fit = float("inf")
-    ngram_length = len(next(iter(target_counts.keys())))
-    for key in range(1, 20):
-        if len(message) % key == 0:
-            plaintext = scytale_decipher(message, key)
-            counts = message_frequency_scaling(frequencies(
-                         ngrams(sanitise(plaintext), ngram_length)))
-            fit = metric(target_counts, counts)
-            logger.debug('Scytale break attempt using key {0} gives fit of '
-                         '{1} and decrypt starting: {2}'.format(key, 
-                             fit, sanitise(plaintext)[:50]))
-            if fit < best_fit:
-                best_fit = fit
-                best_key = key
-    logger.info('Scytale break best fit with key {0} gives fit of {1} and '
-                'decrypt starting: {2}'.format(best_key, best_fit, 
-                    sanitise(scytale_decipher(message, best_key))[:50]))
-    return best_key, best_fit
-
-def column_transposition_break(message, 
-                  translist=transpositions, 
-                  metric=norms.euclidean_distance, 
-                  target_counts=normalised_english_bigram_counts, 
-                  message_frequency_scaling=norms.normalise):
-    """Breaks a column transposition cipher using a dictionary and 
-    n-gram frequency analysis
-
-    >>> column_transposition_break(column_transposition_encipher(sanitise( \
-            "It is a truth universally acknowledged, that a single man in \
-             possession of a good fortune, must be in want of a wife. However \
-             little known the feelings or views of such a man may be on his \
-             first entering a neighbourhood, this truth is so well fixed in the \
-             minds of the surrounding families, that he is considered the \
-             rightful property of some one or other of their daughters."), \
-        'encipher'), \
-        translist={(2, 0, 5, 3, 1, 4, 6): ['encipher'], \
-                   (5, 0, 6, 1, 3, 4, 2): ['fourteen'], \
-                   (6, 1, 0, 4, 5, 3, 2): ['keyword']}) # doctest: +ELLIPSIS
-    ((2, 0, 5, 3, 1, 4, 6), 0.0628106372...)
-    >>> column_transposition_break(column_transposition_encipher(sanitise( \
-            "It is a truth universally acknowledged, that a single man in \
-             possession of a good fortune, must be in want of a wife. However \
-             little known the feelings or views of such a man may be on his \
-             first entering a neighbourhood, this truth is so well fixed in the \
-             minds of the surrounding families, that he is considered the \
-             rightful property of some one or other of their daughters."), \
-        'encipher'), \
-        translist={(2, 0, 5, 3, 1, 4, 6): ['encipher'], \
-                   (5, 0, 6, 1, 3, 4, 2): ['fourteen'], \
-                   (6, 1, 0, 4, 5, 3, 2): ['keyword']}, \
-        target_counts=normalised_english_trigram_counts) # doctest: +ELLIPSIS
-    ((2, 0, 5, 3, 1, 4, 6), 0.0592259560...)
-    """
-    best_transposition = ''
-    best_fit = float("inf")
-    ngram_length = len(next(iter(target_counts.keys())))
-    for transposition in translist.keys():
-        if len(message) % len(transposition) == 0:
-            plaintext = column_transposition_decipher(message, transposition)
-            counts = message_frequency_scaling(frequencies(
-                         ngrams(sanitise(plaintext), ngram_length)))
-            fit = metric(target_counts, counts)
-            logger.debug('Column transposition break attempt using key {0} '
-                         'gives fit of {1} and decrypt starting: {2}'.format(
-                             translist[transposition][0], fit, 
-                             sanitise(plaintext)[:50]))
-            if fit < best_fit:
-                best_fit = fit
-                best_transposition = transposition
-    logger.info('Column transposition break best fit with key {0} gives fit '
-                'of {1} and decrypt starting: {2}'.format(
-                    translist[best_transposition][0], 
-                    best_fit, sanitise(
-                        column_transposition_decipher(message, 
-                            best_transposition))[:50]))
-    return best_transposition, best_fit
-
-
-def column_transposition_break_mp(message, 
-                     translist=transpositions, 
-                     metric=norms.euclidean_distance, 
-                     target_counts=normalised_english_bigram_counts, 
-                     message_frequency_scaling=norms.normalise, 
-                     chunksize=500):
-    """Breaks a column transposition cipher using a dictionary and 
-    n-gram frequency analysis
-
-    >>> column_transposition_break_mp(column_transposition_encipher(sanitise( \
-            "It is a truth universally acknowledged, that a single man in \
-             possession of a good fortune, must be in want of a wife. However \
-             little known the feelings or views of such a man may be on his \
-             first entering a neighbourhood, this truth is so well fixed in the \
-             minds of the surrounding families, that he is considered the \
-             rightful property of some one or other of their daughters."), \
-        'encipher'), \
-        translist={(2, 0, 5, 3, 1, 4, 6): ['encipher'], \
-                   (5, 0, 6, 1, 3, 4, 2): ['fourteen'], \
-                   (6, 1, 0, 4, 5, 3, 2): ['keyword']}) # doctest: +ELLIPSIS
-    ((2, 0, 5, 3, 1, 4, 6), 0.0628106372...)
-    >>> column_transposition_break_mp(column_transposition_encipher(sanitise( \
-            "It is a truth universally acknowledged, that a single man in \
-             possession of a good fortune, must be in want of a wife. However \
-             little known the feelings or views of such a man may be on his \
-             first entering a neighbourhood, this truth is so well fixed in the \
-             minds of the surrounding families, that he is considered the \
-             rightful property of some one or other of their daughters."), \
-        'encipher'), \
-        translist={(2, 0, 5, 3, 1, 4, 6): ['encipher'], \
-                   (5, 0, 6, 1, 3, 4, 2): ['fourteen'], \
-                   (6, 1, 0, 4, 5, 3, 2): ['keyword']}, \
-        target_counts=normalised_english_trigram_counts) # doctest: +ELLIPSIS
-    ((2, 0, 5, 3, 1, 4, 6), 0.0592259560...)
-    """
-    ngram_length = len(next(iter(target_counts.keys())))
-    with Pool() as pool:
-        helper_args = [(message, trans, metric, target_counts, ngram_length,
-                        message_frequency_scaling) 
-                       for trans in translist.keys()]
-        # Gotcha: the helper function here needs to be defined at the top level 
-        #   (limitation of Pool.starmap)
-        breaks = pool.starmap(column_transposition_break_worker, helper_args, chunksize) 
-        return min(breaks, key=lambda k: k[1])
-
-def column_transposition_break_worker(message, transposition, metric, target_counts, 
-                      ngram_length, message_frequency_scaling):
-    plaintext = column_transposition_decipher(message, transposition)
-    counts = message_frequency_scaling(frequencies(
-                         ngrams(sanitise(plaintext), ngram_length)))
-    fit = metric(target_counts, counts)
-    logger.debug('Column transposition break attempt using key {0} '
-                         'gives fit of {1} and decrypt starting: {2}'.format(
-                             transposition, fit, 
-                             sanitise(plaintext)[:50]))
-    return transposition, fit
-
-def vigenere_keyword_break(message, 
-                  wordlist=keywords, 
-                  metric=norms.euclidean_distance, 
-                  target_counts=normalised_english_counts, 
-                  message_frequency_scaling=norms.normalise):
-    """Breaks a vigenere cipher using a dictionary and 
-    frequency analysis
-    
-    >>> vigenere_keyword_break(vigenere_encipher(sanitise('this is a test ' \
-             'message for the vigenere decipherment'), 'cat'), \
-             wordlist=['cat', 'elephant', 'kangaroo']) # doctest: +ELLIPSIS
-    ('cat', 0.15965224935...)
-    """
-    best_keyword = ''
-    best_fit = float("inf")
-    for keyword in wordlist:
-        plaintext = vigenere_decipher(message, keyword)
-        counts = message_frequency_scaling(letter_frequencies(plaintext))
-        fit = metric(target_counts, counts)
-        logger.debug('Vigenere break attempt using key {0} '
-                         'gives fit of {1} and decrypt starting: {2}'.format(
-                             keyword, fit, 
-                             sanitise(plaintext)[:50]))
-        if fit < best_fit:
-            best_fit = fit
-            best_keyword = keyword
-    logger.info('Vigenere break best fit with key {0} gives fit '
-                'of {1} and decrypt starting: {2}'.format(best_keyword, 
-                    best_fit, sanitise(
-                        vigenere_decipher(message, best_keyword))[:50]))
-    return best_keyword, best_fit
-
-def vigenere_keyword_break_mp(message, 
-                     wordlist=keywords, 
-                     metric=norms.euclidean_distance, 
-                     target_counts=normalised_english_counts, 
-                     message_frequency_scaling=norms.normalise, 
-                     chunksize=500):
-    """Breaks a vigenere cipher using a dictionary and 
-    frequency analysis
-
-    >>> vigenere_keyword_break_mp(vigenere_encipher(sanitise('this is a test ' \
-             'message for the vigenere decipherment'), 'cat'), \
-             wordlist=['cat', 'elephant', 'kangaroo']) # doctest: +ELLIPSIS
-    ('cat', 0.159652249358...)
-    """
-    with Pool() as pool:
-        helper_args = [(message, word, metric, target_counts, 
-                        message_frequency_scaling) 
-                       for word in wordlist]
-        # Gotcha: the helper function here needs to be defined at the top level 
-        #   (limitation of Pool.starmap)
-        breaks = pool.starmap(vigenere_keyword_break_worker, helper_args, chunksize) 
-        return min(breaks, key=lambda k: k[1])
-
-def vigenere_keyword_break_worker(message, keyword, metric, target_counts, 
-                      message_frequency_scaling):
-    plaintext = vigenere_decipher(message, keyword)
-    counts = message_frequency_scaling(letter_frequencies(plaintext))
-    fit = metric(target_counts, counts)
-    logger.debug('Vigenere keyword break attempt using key {0} gives fit of '
-                 '{1} and decrypt starting: {2}'.format(keyword, 
-                     fit, sanitise(plaintext)[:50]))
-    return keyword, fit
-
-
-
-def vigenere_frequency_break(message,
-                  metric=norms.euclidean_distance, 
-                  target_counts=normalised_english_counts, 
-                  message_frequency_scaling=norms.normalise):
-    """Breaks a Vigenere cipher with frequency analysis
-
-    >>> vigenere_frequency_break(vigenere_encipher(sanitise("It is time to " \
-            "run. She is ready and so am I. I stole Daniel's pocketbook this " \
-            "afternoon when he left his jacket hanging on the easel in the " \
-            "attic."), 'florence')) # doctest: +ELLIPSIS
-    ('florence', 0.077657073...)
-    """
-    best_fit = float("inf")
-    best_key = ''
-    sanitised_message = sanitise(message)
-    for trial_length in range(1, 20):
-        splits = every_nth(sanitised_message, trial_length)
-        key = ''.join([chr(caesar_break(s, target_counts=target_counts)[0] + ord('a')) for s in splits])
-        plaintext = vigenere_decipher(sanitised_message, key)
-        counts = message_frequency_scaling(frequencies(plaintext))
-        fit = metric(target_counts, counts)
-        logger.debug('Vigenere key length of {0} ({1}) gives fit of {2}'.
-                     format(trial_length, key, fit))
-        if fit < best_fit:
-            best_fit = fit
-            best_key = key
-    logger.info('Vigenere break best fit with key {0} gives fit '
-                'of {1} and decrypt starting: {2}'.format(best_key, 
-                    best_fit, sanitise(
-                        vigenere_decipher(message, best_key))[:50]))
-    return best_key, best_fit
-
-
-
-if __name__ == "__main__":
-    import doctest
-    doctest.testmod()
-