Шифрование открытых данных в режиме простой замены

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО МОРСКОГО И  РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

ФГОУ ВПО «МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова»

_____________________________________________________________________________

Кафедра «АВТ»

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«Информационная безопасность и защита информации»

 

 

 

 

Выполнил курсант:

Лисовская Ю.А.

Проверил :

к.т.н.Степанов В.Ф.

 

 

 

 

Новороссийск 2011 г.

Содержание:

• Теоретическая часть
• Режим простой замены (блок схема)
• Шифрование открытых данных в режиме простой замены
• Расшифрование данных в режиме простой замены
• Листинг программы
• Пример выполнения программы
• Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теоретическая часть

Отечественный стандарт шифрования данных.

Он полностью определяется ГОСТ 28147-89. Стандарт обязателен для  организации предприятий и учреждений применяющих криптографическую  защиту данных, хранимых и передаваемых в сетях ЭВМ и в отдельных  вычислительных комплексах. Этот алгоритм может быть организован как аппаратно, так и программно. Он не накладывает  ограничений на степень секретности  защищаемых данных. Алгоритм представляет собой 64 битовый блочный алгоритм с 256 битовым ключом.

При описании алгоритма используется:

- операция побитового сложения  по модулю 2;

 

□ - операция сложения по модулю 2³² двух 32-разрядных двоичных чисел;

 

Два целых числа а, b,

где 0 ≤ a, 

b ≤ 2³² —1,

а = (а₃₂, а₃₁,…,а₂, a₁),

b = (b₃₂, b₃₁, ...,b₂, b₁),

представленные  в двоичном виде, т.е.

а = а₃₂*2³¹ + а₃₁ *2³⁰ +...+ а₂ *2¹ * а₁

b = b₃₂*2³¹ + b₃₁ *2³⁰+...+ b₂*2¹ + b₁,

суммируются по модулю 2³² (операция□ ) по следующему правилу:

a□b = а + b, если а + b< 2³²,

а□b = а + b - 2³², если а + b, ≥ 2³².

 

Режим простой  замены.

Блок схема:

 

 

Обозначения на схеме:

 

N1,N2 - 32-ух разрядные накопители (сдвигающие регистры)

СМ1– 32-ух разрядный сумматор по модулю 2³²

CM2 – 32-ух разрядный сумматор по модулю 2

R – 32-ух разрядный регистр циклического сдвига влево

КЗУ – ключевое запоминающее устройство на 256 бит, состоящее из восьми 32-ух разрядных накопителей x0,x1,x2,…,x7.

S – блок подстановки состоящий из восьми узлов замены.

 

Шифрование открытых данных в режиме простой замены.

 

Открытые данные разбивают на 64-х разрядные блоки T0. Процедура шифрования одного блока T0 в этом режиме включает 32 цикла j=1,2,…,32.

В КЗУ вводят 256 бит ключа K в виде восьми 32-ух разрядных подключейKi

K=K7,K6,K5,K4,K3,K2,K1,K0.

Последовательность битов  блока T0=b32(0),b31(0),…,b1(0),a32(0),a31(0),…,a1(0). Разбивают на 2 последовательности по 32 бита: b(0), a(0).

Эти последовательности вводят в накопители N1 и N2 перед началом первого цикла шифрования. Содержимое накопителя N1 принимают значения a(0), a накопитель N2 b(0).

Первый цикл j=1 описывается  уравнением      

a(1)=f(a(0) □k0) b(0))

b(1)=a(0)

a(1) – заполнение N1 после первого цикла шифрования.

b(1) – заполнение N2 после  первого цикла шифрования.

f – функция шифрования.

Аргументом функции f  является сумма по модулю 2³² числа a(0) и числа K0, считываемого из накопителя x0 КЗУ.

Каждое из этих чисел равно 32 битам. Функция f включает в себя 2 операции над полученной 32-ух разрядной  суммой:

Подстановка (замена) и выполняется блоком подстановки S.

 

  Блок подстановки  S состоит из 8 узлов замены с  памятью 64 бита каждый. Поступающие  из СМ1 на блок подстановки  S 32-ух разрядные векторы разбивают  на 8 последовательно идущих 4-х разрядных  векторов, каждый из которых преобразуется  в 4-х разрядный вектор соответствующим  узлом замены. Каждый узел замены  можно представить в виде таблицы  перестановки 16-ти четырех разрядных  двоичных чисел в диапазоне   от 0000 до 1111.

Входной вектор указывает  адрес строки в таблице, а число  в этой строке является входным вектором. Затем 4-х разрядные выходные векторы  последовательно объединяются в 32-ух разрядный вектор. Узлы замены (таблицы  перестановки) представляют ключевые элементы, которые редко изменяются. Данные этих узлов замены должны сохраняться  в секрете.

Циклический сдвиг  влево на 11 разрядов 32-ух разрядного вектора, полученного с выхода блока  подстановки S.

 

 Циклический сдвиг  выполняется регистром сдвига R. По сути дела это операция  перестановки. Далее результат работы  функции шифрования f суммируют поразрядно  по модулю 2 в сумматоре СМ2 c 32-ух  разрядным начальным заполнением  b(0) накопителя N2. Затем, полученный  на выходе Sn2 результат (значение a(1)) записывают в накопитель N1, а  старое значение N1(значение a(0)) переписывают  в накопитель N2, т.е b(1)=a(0). Первый  цикл завершен.

 Последующие циклы  осуществляются аналогично. При  этом во втором цикле из  КЗУ считывают подключ K1, в  третьем цикле подключ K2 и т.д.  В циклах с 9 по 16, а также  в циклах с 17 по 24 подключи из  КЗУ считываются в том же  порядке. В последних восьми  циклах (25-32) порядок считывания подключей  из КЗУ обратный (K7,K6,..,K0). Таким образом при шифровании в 8-и циклах осуществляется следующий порядок выборки из КЗУ подключей: K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7,K7,K6,K5,K4,K3,K2,K1,K0.

В восьмом цикле (также  как и в 32 цикле) результат из сумматора Sn2 вводится в накопитель N2б а  в накопителе N1 сохраняется прежнее  значение.

 Полученные после 32-го  цикла шифрования заполнение  накопителей N1 и N2 являются блоком  зашифрованных данных Tш, соответствующих  блоку открытых данных То.

Блок зашифрованных данных Tщ (64 бита) выводится из накопителей N1 и N2 в следующем порядке: из разрядов 1..32 накопителя N1, затем из разрядов 1..32 накопителя N2. Тоесть начиная с  младших разрядов. Tш=b32(32),b31(32),..,b1(32),a32(32),a31(32),..,a1(32).

Остальные блоки открытых данных зашифровываются в режиме простой замены аналогично.

 

Расшифрование в  режиме простой замены.

Криптосхемареализующая  алгоритм расшифрования имеет тот  же вид что и при шифровании. В КЗУ вводят 256 бит ключа на котором выполнялось шифрование. Зашифрованные данные подлежащие расшифрованию  разбиваются на блоки Tш по 64 бита в каждом. Ввод блока Tш=b32(32),b31(32),..,a32(32),a31(32),..,a1(32). В накопителе N1 и N2  производят так, чтобы начальное заполнение накопителя N1 имело вид: a32(32),a31(32),…,a1(32), а накопителя N2 имело вид b32(32),b31(32),…,b1(32).

Расшифрование осуществляется по тому же алгоритму, что и шифрование  с тем изменением, что заполнения накопителей x0,x1,….,x7 считывается из КЗУ в циклах расшифрования в следующем порядке: k0,k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k7,k6,k5,k4,k3,k2,k1,k0.

Полученные после 32 циклов работы заполнения накопителей N1 и N2 образуют блок открытых данных b32(0),b31(0),…,b1(0),a32(0),a31(0),….,a1(0). Аналогично расшифровываются остальные блоки зашифрованных данных.

Если алгоритм шифрования в режиме простой замены 64 битового блока To обозначить через A(To)=A(b(0).a(0))=(b(32),a(32))=Tш.

Следует иметь ввиду что  режим простой замены допустимо  использовать для шифрования данных только в ограниченных случаях, а  именно, при выработке ключа и  зашифрования его с обеспечением эмитозащиты для передачи по каналам  связи или для хранения его  в памяти ЭВМ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Листинг программы

#include <cstdlib>

#include <iostream>

#include <fstream>

#include <windows.h>

 

// Лисовская ---------------------------------------------------------------------------

 

long filesize(FILE *stream)

{

long curpos, length;

curpos = ftell(stream);

fseek(stream, 0L, SEEK_END);

length = ftell(stream);

fseek(stream, curpos, SEEK_SET);

return length;

}

 

// функция шифрования

void rpz(int rezh, char* opener, char* saver)

{

FILE *f_begin, *f_end;

 

// таблица замен

 byte Tab_Z[8][16] =

 {

  0x0,0x1,0x2,0x3,0x4,0x5,0x6,0x7,0x8,0x9,0xA,0xB,0xC,0xD,0xE,0xF,

  0x0,0x1,0x2,0x3,0x4,0x5,0x6,0x7,0x8,0x9,0xA,0xB,0xC,0xD,0xE,0xF,

  0x0,0x1,0x2,0x3,0x4,0x5,0x6,0x7,0x8,0x9,0xA,0xB,0xC,0xD,0xE,0xF,

  0x0,0x1,0x2,0x3,0x4,0x5,0x6,0x7,0x8,0x9,0xA,0xB,0xC,0xD,0xE,0xF,

  0x0,0x1,0x2,0x3,0x4,0x5,0x6,0x7,0x8,0x9,0xA,0xB,0xC,0xD,0xE,0xF,

  0x0,0x1,0x2,0x3,0x4,0x5,0x6,0x7,0x8,0x9,0xA,0xB,0xC,0xD,0xE,0xF,

  0x0,0x1,0x2,0x3,0x4,0x5,0x6,0x7,0x8,0x9,0xA,0xB,0xC,0xD,0xE,0xF,

  0x0,0x1,0x2,0x3,0x4,0x5,0x6,0x7,0x8,0x9,0xA,0xB,0xC,0xD,0xE,0xF

};

 

// ключ

unsigned long key[8] =

{

  0x0123,

  0x4567,

  0x89AB,

  0xCDEF,

  0x0123,

  0x4567,

  0x89AB,

  0xCDEF

};

 

 char N[4]; // 32-разрядный накопитель

 

unsigned long n1=0, n2=0, SUM232=0; // накопитель N1, N2 и суматор

 

// открытие файла

f_begin = fopen (opener,"rb");

f_end = fopen (saver,"wb");

 

 // определение количества блоков

float blokoff;

blokoff = 8*filesize(f_begin);

blokoff = blokoff/64;

int block = (int)blokoff;

if (blokoff-block>0) block++;

 

int sh;

if (filesize(f_begin)>=4) sh = 4; else sh = filesize(f_begin);

int sh1 = 0;

int flag=0;

 

// считывание и преобоазование  блоков

 for (int i=0; i<block; i++)

 {

  // запись в накопитель N1

  for (int q=0; q<4; q++) *((byte *)&N+q) = 0x00;

  if ((sh1+sh)<filesize(f_begin))

  {

   fread (N,sh,1,f_begin);

   sh1+=sh;

  }

  else

  {

   sh=filesize(f_begin)-sh1;

   fread (N,sh,1,f_begin);

   flag=1;

  }

  n1 = *((unsigned long *)&N);

 

  // запись в накопитель N2

  for (int q=0; q<4; q++) *((byte *)&N+q) = 0x00;

  if ((sh1+sh)<filesize(f_begin))

  {

   fread (N,sh,1,f_begin);

   sh1+=sh;

  }

  else

  {

   if (flag==0)

   {

    sh=filesize(f_begin)-sh1;

    fread (N,sh,1,f_begin);

   }

  }

  n2 = *((unsigned long *)&N);

 

  // 32 цикла простой  замены

  int c = 0;

  for (int k=0; k<32; k++)

  {

   if (rezh==1) { if (k==24) c = 7; }

    else { if (k==8) c = 7; }

 

   // сумируем в  сумматоре СМ 1

   SUM232 = key[c] + n1;

 

   // заменяем по  таблице замен

   byte first_byte=0,second_byte=0,zam_symbol=0;

   int n = 7;

   for (int q=3; q>=0; q--)

   {

    zam_symbol = *((byte *)&SUM232+q);

    first_byte = (zam_symbol & 0xF0) >> 4;

    second_byte = (zam_symbol & 0x0F);

    first_byte = Tab_Z[n][first_byte];

    n--;

    second_byte = Tab_Z[n][second_byte];

    n--;

    zam_symbol = (first_byte << 4) | second_byte;

    *((byte *)&SUM232+q) = zam_symbol;

   }

  

   SUM232 = (SUM232<<11)|(SUM232>>21); // циклический сдвиг на 11

   SUM232 = n2^SUM232; // складываем  в сумматоре СМ 2

 

   if (k<31)

   {

    n2 = n1;

    n1 = SUM232;

   }

   if (rezh==1)

   {

    if (k<24)

    {

     c++;

     if (c>7) c = 0;

    }

    else

    {

     c--;

     if (c<0) c = 7;

    }

   }

   else

   {

    if (k<8)

    {

     c++;

     if (c>7) c = 0;

    }

   else

   {

    c--;

    if (c<0) c = 7;

   }

  }

}

n2 = SUM232;

 

// вывода резултата  в файл

  char sym_rez;

  for (int q=0; q<=3; q++)

  {

   sym_rez = *((byte *)&n1+q);

   fprintf(f_end, "%c", sym_rez);

  }

  for (int q=0; q<=3; q++)

  {

   sym_rez = *((byte *)&n2+q);

   fprintf(f_end, "%c", sym_rez);

  }

}

fclose (f_begin);

fclose (f_end);

}

 

//---------------------------------------------------------------------------

int main()

{

int rezhim = 0;

do

{

  printf("Select mode\n1 - coding\n2 - decoding\n");

   scanf("%d", &rezhim);

} while ((rezhim!=1)&&(rezhim!=2));

 

char open_str[50], save_str[50];

printf("select source file\n");

scanf("%s", &open_str);

printf("select result file\n");

scanf("%s", &save_str);

 

rpz(rezhim, open_str, save_str); //запуск код/декодирования

 return 0;

}

 

Пример выполнения программы

Шифрование:

В результате шифрования получаем файл в котором содержится:

Расшифрование:

 

 

 

 

Получаем файл который  содержит исходное сообщение:

 

Список использованной литературы.

1. Конспект лекций по предмету «Информационная безопасность и защита информации». Лектор к.т.н. Степанов В.Ф, г.Новороссийск 2011 год.