Finished for a bit
[cipher-tools.git] / cipherbreak.py
index 7c27216daf0be2d680168302ecb1f379b65c8fdd..3993a42b5b8f786e9352160032389ac5ae58d476 100644 (file)
@@ -2,11 +2,15 @@ import string
 import collections
 import norms
 import logging
-from itertools import zip_longest, cycle
-from segment import segment, Pwords
+from itertools import zip_longest, cycle, permutations
+from segment import segment
 from multiprocessing import Pool
+from math import log10
+
+import matplotlib.pyplot as plt
 
 from cipher import *
+from language_models import *
 
 # To time a run:
 #
@@ -15,32 +19,6 @@ from cipher import *
 # 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]
@@ -77,36 +55,39 @@ def frequencies(text):
     #    counts[c] += 1
     #return counts
     return collections.Counter(c for c in text)
-letter_frequencies = frequencies
 
 
+def frequency_compare(text, target_frequency, frequency_scaling, metric):
+    counts = frequency_scaling(frequencies(text))
+    return -1 * metric(target_frequency, counts)
 
-def caesar_break(message, 
-                 metric=norms.euclidean_distance, 
-                 target_counts=normalised_english_counts, 
-                 message_frequency_scaling=norms.normalise):
+def euclidean_compare(text):
+    return frequency_compare(text, norms.euclidean_scale(english_counts),
+            norms.euclidean_scale, norms.euclidean_distance)
+
+
+def caesar_break(message, fitness=Pletters):
     """Breaks a Caesar cipher using frequency analysis
     
     >>> caesar_break('ibxcsyorsaqcheyklxivoexlevmrimwxsfiqevvmihrsasrxliwyrh' \
           'ecjsppsamrkwleppfmergefifvmhixscsymjcsyqeoixlm') # doctest: +ELLIPSIS
-    (4, 0.080345432737...)
+    (4, -130.849890899...)
     >>> caesar_break('wxwmaxdgheetgwuxztgptedbgznitgwwhpguxyhkxbmhvvtlbhgtee' \
           'raxlmhiixweblmxgxwmhmaxybkbgztgwztsxwbgmxgmert') # doctest: +ELLIPSIS
-    (19, 0.11189290326...)
+    (19, -128.82516920...)
     >>> caesar_break('yltbbqnqnzvguvaxurorgenafsbezqvagbnornfgsbevpnaabjurer' \
           'svaquvzyvxrnznazlybequrvfohgriraabjtbaruraprur') # doctest: +ELLIPSIS
-    (13, 0.08293968842...)
+    (13, -126.25233502...)
     """
     sanitised_message = sanitise(message)
     best_shift = 0
-    best_fit = float("inf")
+    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)
+        fit = fitness(plaintext)
         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:
+        if fit > best_fit:
             best_fit = fit
             best_shift = shift
     logger.info('Caesar break best fit: key {0} gives fit of {1} and '
@@ -124,8 +105,8 @@ def affine_break(message,
           '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
+          '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)
@@ -138,7 +119,7 @@ def affine_break(message,
             for adder in range(26):
                 plaintext = affine_decipher(sanitised_message, 
                                             multiplier, adder, one_based)
-                counts = message_frequency_scaling(letter_frequencies(plaintext))
+                counts = message_frequency_scaling(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}'.
@@ -175,7 +156,7 @@ def keyword_break(message,
     for wrap_alphabet in range(3):
         for keyword in wordlist:
             plaintext = keyword_decipher(message, keyword, wrap_alphabet)
-            counts = message_frequency_scaling(letter_frequencies(plaintext))
+            counts = message_frequency_scaling(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(
@@ -218,7 +199,7 @@ def keyword_break_mp(message,
 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))
+    counts = message_frequency_scaling(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, 
@@ -256,64 +237,6 @@ def scytale_break(message,
                     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, 
@@ -323,46 +246,47 @@ def column_transposition_break_mp(message,
                      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...)
     """
+    # >>> 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), False), 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), False), 0.0592259560...)
+    # """
     ngram_length = len(next(iter(target_counts.keys())))
     with Pool() as pool:
-        helper_args = [(message, trans, metric, target_counts, ngram_length,
+        helper_args = [(message, trans, columnwise, metric, target_counts, ngram_length,
                         message_frequency_scaling) 
-                       for trans in translist.keys()]
+                       for trans in translist.keys() for columnwise in [True, False]]
         # 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])
+column_transposition_break = column_transposition_break_mp
 
-def column_transposition_break_worker(message, transposition, metric, target_counts, 
+def column_transposition_break_worker(message, transposition, columnwise, metric, target_counts, 
                       ngram_length, message_frequency_scaling):
-    plaintext = column_transposition_decipher(message, transposition)
+    plaintext = column_transposition_decipher(message, transposition, columnwise=columnwise)
     counts = message_frequency_scaling(frequencies(
                          ngrams(sanitise(plaintext), ngram_length)))
     fit = metric(target_counts, counts)
@@ -370,7 +294,33 @@ def column_transposition_break_worker(message, transposition, metric, target_cou
                          'gives fit of {1} and decrypt starting: {2}'.format(
                              transposition, fit, 
                              sanitise(plaintext)[:50]))
-    return transposition, fit
+    return (transposition, columnwise), fit
+
+
+def transposition_break_exhaustive(message):
+    best_transposition = ''
+    best_pw = -float('inf')
+    for keylength in range(1, 21):
+        if len(message) % keylength == 0:
+            for transposition in permutations(range(keylength)):
+                for columnwise in [True, False]:
+                    plaintext = column_transposition_decipher(message, 
+                        transposition, columnwise=columnwise)
+                    # pw = Pwords(segment(plaintext))
+                    pw = sum([log10(bigram_likelihood(b, 
+                                              normalised_english_bigram_counts, 
+                                              normalised_english_counts))
+                                           for b in ngrams(plaintext, 2)])
+                    logger.debug('Column transposition break attempt using key {0} {1} '
+                         'gives fit of {2} and decrypt starting: {3}'.format(
+                             transposition, columnwise, pw, 
+                             sanitise(plaintext)[:50]))
+                    if pw > best_pw:
+                        best_transposition = transposition
+                        best_columnwise = columnwise
+                        best_pw = pw
+    return (best_transposition, best_columnwise), best_pw
+
 
 def vigenere_keyword_break(message, 
                   wordlist=keywords, 
@@ -389,7 +339,7 @@ def vigenere_keyword_break(message,
     best_fit = float("inf")
     for keyword in wordlist:
         plaintext = vigenere_decipher(message, keyword)
-        counts = message_frequency_scaling(letter_frequencies(plaintext))
+        counts = message_frequency_scaling(frequencies(plaintext))
         fit = metric(target_counts, counts)
         logger.debug('Vigenere break attempt using key {0} '
                          'gives fit of {1} and decrypt starting: {2}'.format(
@@ -404,11 +354,11 @@ def vigenere_keyword_break(message,
                         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, 
+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
@@ -430,7 +380,7 @@ def vigenere_keyword_break_mp(message,
 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))
+    counts = message_frequency_scaling(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, 
@@ -456,7 +406,7 @@ def vigenere_frequency_break(message,
     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])
+        key = ''.join([chr(caesar_break(s)[0] + ord('a')) for s in splits])
         plaintext = vigenere_decipher(sanitised_message, key)
         counts = message_frequency_scaling(frequencies(plaintext))
         fit = metric(target_counts, counts)
@@ -471,6 +421,49 @@ def vigenere_frequency_break(message,
                         vigenere_decipher(message, best_key))[:50]))
     return best_key, best_fit
 
+def beaufort_frequency_break(message,
+                  metric=norms.euclidean_distance, 
+                  target_counts=normalised_english_counts, 
+                  message_frequency_scaling=norms.normalise):
+    """Breaks a Beaufort cipher with frequency analysis
+
+    >>> beaufort_frequency_break(beaufort_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)[0] + ord('a')) for s in splits])
+        plaintext = beaufort_decipher(sanitised_message, key)
+        counts = message_frequency_scaling(frequencies(plaintext))
+        fit = metric(target_counts, counts)
+        logger.debug('Beaufort 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('Beaufort break best fit with key {0} gives fit '
+                'of {1} and decrypt starting: {2}'.format(best_key, 
+                    best_fit, sanitise(
+                        beaufort_decipher(message, best_key))[:50]))
+    return best_key, best_fit
+
+
+
+def plot_frequency_histogram(freqs, sort_key=None):
+    x = range(len(freqs.keys()))
+    y = [freqs[l] for l in sorted(freqs.keys(), key=sort_key)]
+    f = plt.figure()
+    ax = f.add_axes([0.1, 0.1, 0.9, 0.9])
+    ax.bar(x, y, align='center')
+    ax.set_xticks(x)
+    ax.set_xticklabels(sorted(freqs.keys(), key=sort_key))
+    f.show()
 
 
 if __name__ == "__main__":