Split breaking routines out into a separate file. Column transposition now uses as...
[cipher-tools.git] / break.py
diff --git a/break.py b/break.py
new file mode 100644 (file)
index 0000000..08b7301
--- /dev/null
+++ b/break.py
@@ -0,0 +1,428 @@
+import string
+import collections
+import norms
+import logging
+from itertools import zip_longest, cycle
+from segment import segment
+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, 0.31863952890183...)
+    >>> caesar_break('wxwmaxdgheetgwuxztgptedbgznitgwwhpguxyhkxbmhvvtlbhgtee' \
+          'raxlmhiixweblmxgxwmhmaxybkbgztgwztsxwbgmxgmert') # doctest: +ELLIPSIS
+    (19, 0.42152901235832...)
+    >>> caesar_break('yltbbqnqnzvguvaxurorgenafsbezqvagbnornfgsbevpnaabjurer' \
+          'svaquvzyvxrnznazlybequrvfohgriraabjtbaruraprur') # doctest: +ELLIPSIS
+    (13, 0.316029208075451...)
+    """
+    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), 0.23570361818655...)
+    """
+    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), 0.41643991598441...)
+    """
+    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), 0.41643991598441...)
+    """
+    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, 0.83453041115025...)
+    """
+    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( \
+        "Turing's homosexuality resulted in a criminal prosecution in 1952, \
+        when homosexual acts were still illegal in the United Kingdom. "), \
+        '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), 0.898128626285...)
+    >>> column_transposition_break(column_transposition_encipher(sanitise( \
+        "Turing's homosexuality resulted in a criminal prosecution in 1952, " \
+        "when homosexual acts were still illegal in the United Kingdom."), \
+        '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), 1.1958792913127...)
+    """
+    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( \
+        "Turing's homosexuality resulted in a criminal prosecution in 1952, \
+        when homosexual acts were still illegal in the United Kingdom. "), \
+        '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), 0.898128626285...)
+    >>> column_transposition_break_mp(column_transposition_encipher(sanitise( \
+        "Turing's homosexuality resulted in a criminal prosecution in 1952, " \
+        "when homosexual acts were still illegal in the United Kingdom."), \
+        '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), 1.1958792913127...)
+    """
+    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(keyword_encipher('this is a test message for the ' \
+             'keyword decipherment', 'elephant', 1), \
+             wordlist=['cat', 'elephant', 'kangaroo']) # doctest: +ELLIPSIS
+    ('elephant', 0.7166585201707...)
+    """
+    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(keyword_encipher('this is a test message for the ' \
+             'keyword decipherment', 'elephant', 1), \
+             wordlist=['cat', 'elephant', 'kangaroo']) # doctest: +ELLIPSIS
+    ('elephant', 0.7166585201707...)
+    """
+    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
+
+
+if __name__ == "__main__":
+    import doctest
+    doctest.testmod()
+