МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
"МИРЭА - Российский технологический университет"
РТУ МИРЭА
Институт кибернетики
Кафедра компьютерной и информационной безопасности
УТВЕРЖДАЮ
Заведующий
кафедрой______________А.Н. Чесалин
ЗАДАНИЕ
на выполнение курсовой работы
по дисциплине
«Защита данных в системах специального назначения»
Студент:
Группа: КТСО-04-17
КТСО-05-17
1. Тема: Реализация шифра Вернама на с++.
2. Исходные данные:
1) Разработка программы на языке C++, реализующей алгоритм шифра Вернама
3. Краткая аннотация работы (перечень подлежащих разработке вопросов):
1) Проектирование пользовательского интерфейса
2) Реализация алгоритма шифра Вернама
3) Реализация пользовательского интерфейса и внедрение в него алгоритма
4. Срок представления к защите курсового проекта (работы): 10 декабря 2021 г.
Руководитель
курсовой работы
__________________
А.В. Козлов
С.В. Фомичев
Задание принял к
исполнению
К.А. Мамин
__________________
М.Э. Лукацкий
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
"МИРЭА - Российский технологический университет"
РТУ МИРЭА
Институт Искусственного Интеллекта
Кафедра компьютерной и информационной безопасности
УТВЕРЖДАЮ
Заведующий
кафедрой______________А.Н. Чесалин
ЗАДАНИЕ
на выполнение курсовой работы
по дисциплине
«Защита данных в системах специального назначения»
Студент:
Группа: КТСО-04-17
КТСО-05-17
5. Тема: Реализация шифра Вернама на с++.
6. Исходные данные:
2) Разработка программы на языке C++, реализующей алгоритм шифра Вернама
7. Краткая аннотация работы (перечень подлежащих разработке вопросов):
4) Проектирование пользовательского интерфейса
5) Реализация алгоритма шифра Вернама
6) Реализация пользовательского интерфейса и внедрение в него алгоритма
8. Срок представления к защите курсового проекта (работы): 10 декабря 2021 г.
Руководитель
курсовой работы
__________________
А.В. Козлов
С.В. Фомичев
Задание принял к
исполнению
М.Э. Лукацкий
__________________
К.А. Мамин
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
"МИРЭА - Российский технологический университет"
РТУ МИРЭА
Институт кибернетики
Кафедра компьютерной и информационной безопасности
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине
«Защита данных в системах специального назначения»
Тема курсовой работы:
Реализация шифра Вернама на c++
Студент группы КТСО-04-17
С.В. Фомичев
КТСО-05-17
К.А. Мамин
М.Э. Лукацкий
Руководитель курсовой работы:
А.В. Козлов
Работа представлена к
защите
«____»_________20__ г.
__________________
(подпись студента)
«Допущен к защите»
«____»_________20__ г.
__________________
(подпись руководителя)
Москва 2021
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
"МИРЭА - Российский технологический университет"
РТУ МИРЭА
Институт Искусственного Интеллекта
Кафедра компьютерной и информационной безопасности
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине
«Защита данных в системах специального назначения»
Тема курсовой работы:
Реализация шифра Вернама на c++
Студент группы КТСО-04-17
С.В. Фомичев
КТСО-05-17
М.Э. Лукацкий
К.А. Мамин
Руководитель курсовой работы:
А.В. Козлов
Работа представлена к
защите
«____»_________20__ г.
__________________
(подпись студента)
«Допущен к защите»
«____»_________20__ г.
__________________
Москва 2021
(подпись руководителя)
Москва 2021
Оглавление
Введение......................................................................................................... 3
Глава 1. Теоретическая часть ....................................................................... 4
История ...................................................................................................... 4
Описание алгоритма ................................................................................. 5
Глава 2. Практическая часть ........................................................................ 7
Пример шифрования ................................................................................. 7
Пример дешифрования ............................................................................. 8
Алгоритм работы программы .................................................................. 8
Реализация программы ............................................................................. 9
Void unique(string& alpha, string& str) ................................................. 9
Int main()................................................................................................. 9
Class Vernam .......................................................................................... 9
Промежуточный вывод к программе .................................................... 10
Пример работы программы .................................................................... 10
Заключение .................................................................................................. 12
Список литературы ..................................................................................... 13
Приложение ................................................................................................. 14
Введение
В данной курсовой работе будет рассмотрен способ шифрования текста
шифром Вернама.
Шифр
Вернама
–
разновидность
криптосистемы
одноразовых
блокнотов. В нём используется булева функция «исключающее или». Шифр
Вернама является примером системы с абсолютной криптографической
стойкостью. При этом он считается одной из простейших криптосистем.
Работа на данном алгоритме шифрования реализована с применением
языка C++.
3
Глава 1. Теоретическая часть
История
Шифр назван в честь телеграфиста Гильберта Вернама, который в 1917
году изобрёл, а в 1919 запатентовал систему автоматического шифрования
телеграфных сообщений.
Вернам не использовал понятие «исключающее или» в патенте, но
реализовал именно эту операцию в релейной логике. Каждый символ в
сообщении преобразовывался побитовым XOR (исключающее или) с ключом
бумажной ленты. Джозеф Моборн (бывший тогда капитаном армии США, а
впоследствии начальником корпуса связи) доработал эту систему так, чтобы
последовательность символов на ключевой ленте была полностью случайной,
поскольку в этом случае криптоанализ будет наиболее трудным.
Вернам
создал
устройство,
производящее
указанные
операции
автоматически, без участия шифровальщика. Тем самым было положено
начало так называемому «линейному шифрованию», когда процессы
шифрования и передачи сообщения происходят одновременно. До той поры
шифрование
было
предварительным,
поэтому линейное
шифрование
существенно повышало оперативность связи.
Не будучи шифровальщиком, тем не менее, Вернам верно заметил
важное свойство своего шифра — каждая лента должна использоваться
только один раз и после этого уничтожаться. Это трудноприменимо на
практике — поэтому аппарат был переделан на несколько закольцованных
лент с взаимно простыми периодами.
4
Описание алгоритма
Криптосистема была предложена для шифрования телеграфных
сообщений, которые представляли собой бинарные тексты, в которых
открытый текст представляется в коде Бодо (в виде пятизначных
«импульсных комбинаций»). В этом коде, например, буква «А» имела вид
(1 1 0 0 0). На бумажной ленте цифре «1» соответствовало отверстие, а
цифре «0» — его отсутствие. Секретный ключ должен был представлять
собой хаотичный набор букв того же самого алфавита.
Для получения шифротекста открытый текст объединяется операцией
«исключающее или» с секретным ключом. Так, например, при применении
ключа (1 1 1 0 1) на букву «А» (1 1 0 0 0) получаем зашифрованное
сообщение (0 0 1 0 1): (1 1 0 0 0) ⊕ (1 1 1 0 1) = (0 0 1 0 1) Зная, что для
принимаемого сообщения имеем ключ (1 1 1 0 1), легко получить исходное
сообщение той же операцией: (0 0 1 0 1) ⊕ (1 1 1 0 1) = (1 1 0 0 0) Для
абсолютной криптографической стойкости ключ должен обладать тремя
критически важными свойствами:
1. Иметь случайное дискретное равномерное распределение;
2. Совпадать по размеру с заданным открытым текстом;
3. Применяться только один раз.
Из-за особенностей работы шифра Вернама, необходимо, чтобы размер
алфавита являлся степенью двойки (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и т.д.). Пример,
почему так необходимо: при операции XOR над буквами английского
алфавита 𝑉 = 21 = 10101 и 𝐿 = 11 = 1011 получается результат 10101 ⊕
01011 = 11110 = 30, при алфавите (𝐴 = 0, 𝐵 = 1, … , 𝑍 = 25) выходит за
пределы этого алфавита. Чтобы избежать такой проблемы, необходимо иметь
алфавит 00000 => 11111 = 32 символа.
5
Например,
кодирование
шифром
Вернама
по
модулю
𝑚 =
26 (𝐴 = 0, 𝐵 = 1, … , 𝑍 = 25) и дополнительным расширением (1 =
26, . . . , 6 = 31):
Табл. 1.
Ключ:
Пример шифровки Вернама
EVTIQWXQVVOPMCXREPY
Z
Открытый текст:
ALLSWELLTHATENDSWELL
Шифротекст:
E5Y1GS32GSO3IPUDSLTS
Без знания ключа такое сообщение не поддаётся анализу. Даже если бы
можно было перепробовать все ключи, в качестве результата мы получили
бы все возможные сообщения данной длины плюс колоссальное количество
бессмысленных дешифровок, выглядящих как беспорядочное нагромождение
букв. Но и среди осмысленных дешифровок не было бы никакой
возможности выбрать искомую. Когда случайная последовательность (ключ)
сочетается с неслучайной (открытым текстом), результат этого (шифротекст)
оказывается совершенно случайным и, следовательно, лишённым тех
статистических особенностей, которые могли бы быть использованы для
анализа шифра.
6
Глава 2. Практическая часть
Шифр Вернама является симметричным, для шифровки и дешифровки
используется одинаковый ключ и одинаковый алгоритм.
Предположим, алфавит равен следующему:
Табл. 2.
Алфавит шифра Вернама
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
N
O
P
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Пример шифрования
Предположим, мы хотим передать сообщение «hello ninja»
Данное
сообщение
необходимо
передать,
используя
алфавит
стационарного диска: «hello ninja» => «HELLO NINJA»
И уберем пробелы из-за отсутствия оных в алфавите: «HELLONINJA».
В
качестве
ключа
укажем,
например
«BIE
=
NINJAGO»
«BIENINJAGO».
Табл. 3.
Шифровка Вернама, пример
H
E
L
L
O
N
I
N
J
A
0111
0100
1011
1011
1110
1101
1000
1101
1001
0000
B
I
E
N
I
N
J
A
G
O
0001
1000
0100
1101
1000
1101
1001
0000
0110
1110
G
M
P
G
G
A
B
N
P
O
0110
1100
1111
0110
0110
0000
0001
1101
1111
1110
Получаем в ответ «GMPGGABNPO».
Итого,
шифрованное
сообщение
BIENINJAGO – ключ для дешифровки.
7
будет:
GMPGGABNPO,
где
Пример дешифрования
Предположим, мы хотим дешифровать сообщение «GMPGGABNPO» с
ключом «BIENINJAGO»:
Табл. 4.
Дешифровка Вернама, пример
G
M
P
G
G
A
B
N
P
O
0110
1100
1111
0110
0110
0000
0001
1101
1111
1110
B
I
E
N
I
N
J
A
G
O
0001
1000
0100
1101
1000
1101
1001
0000
0110
1110
H
E
L
L
O
N
I
N
J
A
0111
0100
1011
1011
1110
1101
1000
1101
1001
0000
Дешифрованное сообщение: HELLONINJA
Алгоритм работы программы
Сначала производится инициализация Машины Шифра Вернама –
загружается алфавит из файла Алфавит.txt. По умолчанию там записана
строка длиной 128 символов, содержащую по умолчанию все символы
английского и русского алфавита, кроме букв «ёЁ». После этого, машина
готова к работе.
Так как алгоритм Шифра Вернама является симметричным, интерфейс
программы весьма минималистичен: выводится алфавит программы, после
чего запрашивается сообщение и ключ. Если вместо сообщения ввести «\0»,
будет запущен процесс смены алфавита, где у пользователя попросят ввести
строку длиной, равной степени двойки. Если вместо сообщения ввести «0»,
программа завершится.
8
Процесс шифровки/дешифровки реализуется в рамках одной функции
и распознается как шифровка. В начале шифровки идет быстрая проверка
ключа – если ключ содержит недопустимые символы, они будут отброшены.
После этого анализируется каждый символ исходного сообщения – если
данный символ присутствует в алфавите, он шифруется и записывается в
ответ, иначе символ пропускается. После шифровки, ответ возвращается
пользователю.
Реализация программы
Программа состоит из двух функций: unique и main и класса Vernam.
Void unique(string& alpha, string& str)
Данная функция проходит по str и дописывает в alpha новые, не
встречавшиеся ранее символы.
Int main()
Данная функция является точкой входа программы, где производится
инициализация и цикл работы программы.
Class Vernam
Данный класс реализует машину для Шифра Вернама.
В Vernam() загружается и устанавливается алфавит по умолчанию.
Void init() задает алфавит для шифра с переходом буква -> число и
число -> буква.
String get_info() возвращает текущий алфавит машины.
String ciph(string &message, string &key) шифрует message по key и
возвращает новую шифрованную строку, не изменяя входные переменные.
Void change_alphabet() задает новый алфавит, контролирует, чтоб он
был длиной, равной степени двойки и устанавливает его.
9
Промежуточный вывод к программе
Написанная программа выполняет главную задачу по шифровке
сообщения шифром Вернама по заданному алфавиту. Максимальная
сложность работы данной программы составляет O(m + n), где m – длина
ключа,
а
n
–
длина
сообщения.
Программа
отбрасывает
любые
повторяющиеся символы в алфавите и любые буквы ключа и сообщения,
отсутствующие в алфавите.
Пример работы программы
Рис. 1. Запуск программы, Основное окно
Рис. 2. Процесс смены алфавита
Рис. 3. Шифрование
Рис. 4. Дешифрование
Рис. 5. Завершение работы программы
10
11
Заключение
В ходе выполнения данной курсовой работы был рассмотрен алгоритм
шифрования Вернама и написана программа, выполняющая данное
шифрования в автоматическом режиме.
В ходе тестовых запусков было установлено, что сообщение,
зашифрованное с помощью данной реализации шифра Вернама можно
расшифровать только при наличии идентичных алфавитов шифрования.
12
Список литературы
1. Шифр Вернама [Электронный ресурс]: статья – электронные
данные – Википедия, свободная энциклопедия – Режим доступа:
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A8%D0%B8%D1%84%D1%80_
%D0%92%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B
0, свободный
2. Std::vector [Электронный ресурс]: документация – электронные
данные
–
cppreference.com
–
Режим
доступа:
https://en.cppreference.com/w/cpp/container/vector, свободный
3. Std::unordered_map
[Электронный ресурс]:
документация –
электронные данные – cppreference.com – Режим доступа:
https://en.cppreference.com/w/cpp/container/unordered_map,
свободный
4. Шифр Вернама [Электронный ресурс]: статья – электронные
данные – КОД, журнал яндекс практикума – Режим доступа:
https://thecode.media/vernam/, свободный
5. Работа с файлами в C++ [Электронный ресурс]: статья –
электронные
данные
–
PureCodeCpp
–
Режим
https://purecodecpp.com/archives/2751, свободный
13
доступа:
Приложение
Табл. 5.
1. #include <iostream>
2. #include <fstream>
3. #include <cstdio>
4. #include <unordered_map>
5. #include <vector>
6. #include <string>
7. #define FILENAME "Алфавит.txt"
8. using namespace std;
9. void unique(string& alpha, string& str)
10. {
11.
bool t;
12.
for (auto i : str)
13.
{
14.
t = 1;
15.
for (auto j : alpha)
16.
if (i == j)
17.
{
18.
t = 0;
19.
break;
20.
}
21.
if (t)
22.
23.
alpha += i;
}
24. }
25. class Vernam
26. {
27.
unordered_map<char, unsigned int> Alphabet;
28.
vector<char> Back;
29.
string info;
30. public:
31.
Vernam()
32.
{
33.
ifstream f(FILENAME);
34.
getline(f, info);
35.
if ((info.length() & (info.length() - 1)) != 0)
36.
{
37.
string shit = "";
38.
int t = 1;
39.
while (t < info.length())
40.
{
41.
while (shit.length() < t)
42.
shit += info[shit.length()];
43.
t *= 2;
44.
}
45.
info = shit;
46.
}
47.
init();
14
Код программы
48.
}
49.
void init()
50.
{
51.
Alphabet.clear();
52.
Back.clear();
53.
Alphabet = unordered_map<char, unsigned int>(info.length());
54.
Back = vector<char>(info.length());
55.
for (int i = 0; i < info.length(); i++)
56.
{
57.
Alphabet.insert(make_pair(info[i], i));
58.
Back[i] = info[i];
59.
}
60.
}
61.
string get_info() { return info; }
62.
string ciph(string &message, string &key)
63.
{
64.
string ans = "", k = "";
65.
for (auto i : key)
66.
if (k.length() > message.length())
67.
break;
68.
else
69.
if (Alphabet.count(i) > 0)
70.
k += i;
71.
if (k.length() == 0)
72.
return "ERROR: KEY NOT PRESENT IN ALPHABET";
73.
for (int i = 0; i < message.length(); i++)
74.
{
75.
if (Alphabet.count(message[i]) == 0)
76.
continue;
77.
auto a = Alphabet.find(message[i]);
78.
auto b = Alphabet.find(k[ans.length() % k.length()]);
79.
ans += Back[a->second ^ b->second];
80.
}
81.
return ans;
82.
}
83.
void change_alphabet()
84.
{
85.
string alpha, add;
86.
unsigned int t;
87.
cout << "Введите новый алфавит, по длине равный степени двойки:\n";
88.
getline(cin, add);
89.
unique(alpha, add);
90.
while ((alpha.length() & (alpha.length() - 1)) != 0)
91.
{
92.
t = 1;
93.
while (t < alpha.length())
94.
95.
t <<= 1;
printf("Алфавит: %s\nВведите еще %d символов:\n", alpha.c_str(),
t - alpha.length());
96.
getline(cin, add);
15
97.
unique(alpha, add);
98.
}
99.
info = alpha;
100.
init();
101.
102.
}
};
103.
104.
int main()
105.
{
106.
system("chcp 1251");
107.
string message, key;
108.
Vernam machine = Vernam();
109.
while (1)
110.
{
111.
system("cls");
112.
printf("Текущий алфавит:\n%s\nДля смены алфавита введите
\"\\0\"\nВведите сообщение: ", machine.get_info().c_str());
113.
getline(cin, message);
114.
if (message == "0")
115.
{
116.
cout << "Получен сигнал на прерывание, машинв заглушена\n";
117.
break;
118.
}
119.
if (message == "\\0")
120.
{
121.
machine.change_alphabet();
122.
continue;
123.
}
124.
cout << "Введите ключ: ";
125.
getline(cin, key);
126.
message = machine.ciph(message, key);
127.
printf("Шифр Вернама: %s\n", message.c_str());
128.
system("pause");
129.
130.
}
}
16