Курсовая работа: Программная реализация алгоритма шифрования DES. Режим ECB

Курсовая работа: Программная реализация алгоритма шифрования DES. Режим ECB

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Технологический институт Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

Южный федеральный университет

Факультет информационной безопасности

Кафедра БИТ

Пояснительная записка

к курсовому проекту

на тему:

Программная реализация алгоритма шифрования DES. Режим ЕСВ

по дисциплине

Программно-аппаратные средства защиты информации

Проверил

Г.А. Евстафьев

Таганрог 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Описание алгоритма

2. Основные режимы работы алгоритма DES

3. Разработка программной реализации алгоритма

Заключение

Список использованных источников

Приложение А

Введение

Симметричные криптосистемы (также симметричное шифрование, симметричные шифры) — способ шифрования, в котором для (за)шифрования и расшифровывания применяется один и тот же криптографический ключ. До изобретения схемы асимметричного шифрования единственным существовавшим способом являлось симметричное шифрование. Ключ алгоритма должен сохраняться в секрете обеими сторонами. Ключ алгоритма выбирается сторонами до начала обмена сообщениями.

Алгоритмы шифрования и дешифрования данных широко применяются в компьютерной технике в системах сокрытия конфиденциальной и коммерческой информации от злонамеренного использования сторонними лицами. Главным принципом в них является условие, что передатчик и приемник заранее знают алгоритм шифрования, а также ключ к сообщению, без которых информация представляет собой всего лишь набор символов, не имеющих смысла.

Классическим примером таких алгоритмов являются симметричные криптографические алгоритмы, перечисленные ниже:

- простая подстановка;

- одиночная перестановка по ключу;

- двойная перестановка;

- перестановка "Магический квадрат";

- простая перестановка.

Полная утрата всех статистических закономерностей исходного сообщения является важным требованием к симметричному шифру. Для этого шифр должен иметь «эффект лавины» — должно происходить сильное изменение шифроблока при 1битном изменении входных данных (в идеале должны меняться значения 1/2 бит шифроблока).

Также важным требованием является отсутствие линейности (то есть условия

а(ф) чщк а(и) = а(ф чщк и))б

в противном случае облегчается применение дифференциального криптоанализа к шифру.

В настоящее время симметричные шифры — это:

- блочные шифры. Обрабатывают информацию блоками определённой длины (обычно 64, 128 бит), применяя к блоку ключ в установленном порядке, как правило, несколькими циклами перемешивания и подстановки, называемыми раундами. Результатом повторения раундов является лавинный эффект — нарастающая потеря соответствия битов между блоками открытых и зашифрованных данных.

- поточные шифры, в которых шифрование проводится над каждым битом либо байтом исходного (открытого) текста с использованием гаммирования. Поточный шифр может быть легко создан на основе блочного (например, ГОСТ 28147-89 в режиме гаммирования), запущенного в специальном режиме.

Существует множество (не менее двух десятков) алгоритмов симметричных шифров, существенными параметрами которых являются:

- стойкость;

- длина ключа;

- число раундов;

- длина обрабатываемого блока;

- сложность аппаратной/программной реализации;

- сложность преобразования.

В данном курсовом проекте предлагается программная реализация алгоритма шифровании DES (режим ЕСВ).

1. Описание алгоритма

Стандарт шифрования данных DES опубликован в 1977 г. Национальным бюро стандартом США.

Стандарт DES предназначен для защиты от несанкционированного доступа к важной, но несекретной информации в государственных и коммерческих организациях США. Алгоритм, положенный в основу стандарта, распространялся достаточно быстро, и уже в 1980 г. Был одобрен Национальным институтом стандартов и технологий США. С этого момента DES превращается в стандарт не только по названию, но и фактически. Появляются программное обеспечение и специализированные микроЭВМ, предназначенные для шифрования и расшифрования информации в сетях передачи данных.

К настоящему времени DES является наиболее распространенным алгоритмом, используемым в системах защиты коммерческой информации. Более того, реализация алгоритма DES в таких системах становится признаком хорошего тона.

Основные достоинства алгоритма DES:

- используется только один ключ длиной 56 бит;

- зашифровав сообщение с помощью одного пакета программ, для расшифровки можно использовать любой другой пакет программ, соответствующий стандарту DES;

- относительная простота алгоритма обеспечивает высокую скорость обработки;

- достаточно высокая стойкость алгоритма.

Первоначально метод, лежащий в основе стандарта DES, был разработал фирмой IBM для своих целей и реализован в виде системы «Люцифер». Система «Люцифер» основана на комбинировании методов подстановки и перестановки и состоит из чередующейся последовательности блоков перестановки и подстановки. В ней использовался ключ длиной 128 бит, управлявший состояниями блоков перестановки и подстановки. Система «Люцифер» оказалась весьма сложной для практической реализации из-за относительно малой скорости шифрований.

Алгоритм DES также использует комбинацию подстановок и перестановок. DES осуществляет шифрование 64-битных блоков данных с помощью 64-битового ключа, в котором значащими являются 56 бит (остальные 8 бит-проверочные биты для контроля на четность). Дешифрование в DES является операцией, обратной шифрованию, и выполняется путем повторения операций шифрования в обратной последовательности. Обобщенная схема процесса шифрования в алгоритме DES показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Обобщенная схема шифрования в алгоритме DES

Следует отметить, что все приводимые таблицы, являются стандартными, и должны включаться в реализацию алгоритма в неизменном виде.

Все перестановки и коды в таблицах подобраны разработчиками таким образом, чтобы максимально затруднить процесс расшифровки путем подбора ключа. Описание алгоритма приведено на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структура алгоритма шифрования DES

Пусть из файла исходного текста считан очередной 64-битовый блок Т. Этот блок Т преобразуется с помощью матрицы начальной перестановки IP (таблица 1).

Таблица 1

Матрица начальной перестановки IP

58 50 42 34 26 18 10 02

60 52 44 36 28 20 12 04

62 54 46 38 30 22 14 06

64 56 48 40 32 24 16 08

57 49 41 33 25 17 09 01

59 51 43 35 27 19 11 03

61 53 45 37 29 21 13 05

63 55 47 39 31 23 15 07

Биты входного блока Т переставляются в соответствии с матрицей IP: бит 58 входного блока Т становится битом 1, бит 50-битом 2 и т.д. Эту перестановку можно описать выражением Т0=IP(T). Полученная последовательность битов Т0 разделяется на две последовательности: L0- левые и старшие биты, R0-правые и младшие биты, каждая из которых содержит 32 бита.

Затем выполняется итеративный процесс шифрования, состоящий из 16 циклов. Пусть Ti-результат I-й итерации:

Ti=LiRi,

где Li=t1 t2…t32; Ri=t33t34…t64. Тогда результат I-й итерации описывается следующими формулами:

Li=Ri-1, i=1,2,…,16;

Ri=Li-1 xor f(Ri-1,Ki), i=1,2,…,16.

Функции f называется функцией шифрования. Ее аргументами являются последовательность Ri-1, получаемая на предыдущем шаге итерации, и 48-битовый ключ Ki, который является результатом преобразования 64-битового ключа шифра К.

На последнем шаге итерации получают последовательность R16 и L16, который конкатенируются в 64-битовую последовательность R16L16.

По окончании шифрования осуществляется восстановление позиций битов с помощью матрицы обратной перестановки IP-1 (таблица 2).

Таблица 2

Матрица обратной перестановки IP-1

40 08 48 16 56 24 64 32

39 07 47 15 55 23 63 31

38 06 46 14 54 22 62 30

37 05 45 13 53 21 61 29

36 04 44 12 52 20 60 28

35 03 43 11 51 19 59 27

34 02 42 10 50 18 58 26

33 01 41 09 49 17 57 25

Процесс расшифрования данных является инверсным по отношению к процессу шифрования. Все действия должны быть выполнены в обратном порядке. Это означает, что расшифровываемые данные сначала переставляются в соответствии с матрицей IP-1, а затем над последовательностью битов R16L16 выполняются те же действия, что и в процессе шифрования, но в обратном порядке.

Итеративный процесс расшифрования может быть описан следующими формулами:

Ri-1= Li, i = 1, 2, ..., 16;Li-1 = Ri xor f(Li, Ki), i = 1, 2, ..., 16 .

На 16-й итерации получают последовательности L0 и R0, которые конкатенируют в 64-битовую последовательность L0R0.

Затем позиции битов этой последовательности переставляют в соответствии с матрицей IP. Результат такой перестановки - исходная 64-битовая последовательность.

Теперь рассмотрим функцию шифрования f(Ri-1,Ki). Она показана на рисунке 3.

Для вычисления значения функции f используются:

- функция Е (расширение 32 бит до 48);

- функция S1,S2,…,S8 (преобразование 6-битового числа в 4-битовое);

- функция Р (перестановка битов в 32-битовой последовательности).

Рисунок 3 - Вычисление функции f(R(i-1), K(i))

Функция расширения Е определяется табл.3. В соответствии с этой таблицей первые 3 бита Е(Ri-1) - это биты 32, 1 и 2, а последние - 31, 32 и 1.

Таблица 3

Функция расширения E

Результат функции Е(Ri-1) есть 48-битовая последовательность, которая складывается по модулю 2 (операция xor) с 48-битовым ключом Кi. Получается 48-битовая последовательность, которая разбивается на восемь 6-битовых блоков B1B2B3B4B5B6B7B8. То есть:

E(Ri-1) xor Ki = B1B2...B8 .

Функции S1, S2, ... , S8 определяются таблицей 4.

криптосистема алгоритм защита информация

Таблица 4

Функции преобразования S1, S2, ..., S8

К таблице 4 требуются дополнительные пояснения. Пусть на вход функции-матрицы Sj поступает 6-битовый блок B = b1b2b3b4b5b6, тогда двухбитовое число b1b6 указывает номер строки матрицы, а b2b3b4b5 - номер столбца. Результатом Sj(Bj) будет 4-битовый элемент, расположенный на пересечении указанных строки и столбца [1].

Например, В1=011011. Тогда S1(В1) расположен на пересечении строки 1 и столбца 13. В столбце 13 строки 1 задано значение 5. Значит, S1(011011)=0101.

Применив операцию выбора к каждому из 6-битовых блоков B1, B2, ..., B8, получаем 32-битовую последовательность S1(B1)S2(B2)S3(B3)...S8(B8).

Наконец, для получения результата функции шифрования надо переставить биты этой последовательности. Для этого применяется функция перестановки P (табл.5). Во входной последовательности биты перестанавливаются так, чтобы бит 16 стал битом 1, а бит 7 - битом 2 и т.д.

Таблица 5

Функция перестановки P

Таким образом,

f(Ri-1, Ki) = P(S1(B1),...S8(B8))

Как нетрудно заметить, на каждой итерации используется новое значение ключа Ki. Новое значение ключа Кi вычисляется из начального ключа К(рис.4). Ключ К представляет собой 64-битовый блок с 8 битами контроля по четности, расположенными в позициях 8,16,24,32,40,48,56,64. Для удаления контрольных битов и подготовки ключа к работе используется функция G первоначальной подготовки ключа (таблица 6)

Рисунок 4 - Блок-схема алгоритма вычисления ключа Ki

Таблица 6

Матрица G первоначальной подготовки ключа

Результат преобразования G(K) разбивается на два 28-битовых блока C0 и D0, причем C0 будет состоять из битов 57, 49, ..., 44, 36 ключа K, а D0 будет состоять из битов 63, 55, ..., 12, 4 ключа K. После определения C0 и D0 рекурсивно определяются Ci и Di, i=1...16. Для этого применяют циклический сдвиг влево на один или два бита в зависимости от номера итерации, как показано в таблице 7.

Операции сдвига выполняются для последовательностей Ci и Di независимо. Например, последовательность C3 получается посредством циклического сдвига влево на две позиции последовательности С2, а последовательность D3 – посредством сдвига влево на две позиции последовательности D2,C16 и D16 получаются из С15 и D15 посредством сдвига влево на одну позицию [2].

Таблица 7

Таблица сдвигов для вычисления ключа

Ключ Кi определяемый на каждом шаге итерации, есть результат выбора конкретных битов из 56-битовой последовательности Сi,Di и их перестановки. То есть ключ Ki=H(Ci,Di), где функция Н определяется матрицей, завершающей обработку ключа (таблица 8)

Таблица 8

Матрица H завершающей обработки ключа

14 17 11 24 01 05

03 28 15 06 21 10

23 19 12 04 26 08

16 07 27 20 13 02

41 52 31 37 47 55

30 40 51 45 33 48

44 49 39 56 34 53

46 42 50 36 29 32

Как следует из табл.8, первым битом ключа Ki будет 14-й бит последовательности Сi,Di, а вторым- 17-й бит, 47-м битом ключа Ki будет 29-й бит Сi,Di ,а 48-м битом -32-ой бит Сi,Di.

2. Основные режимы работы алгоритма DES

Алгоритм DES вполне подходит как для шифрований, так и для аутентификации данных. Он позволяет непосредственно преобразовывать 64-битовый входной открытый текст в 64-битовый выходной шифрованный текст, однако данные редко ограничиваются 64 разрядами.

Чтобы воспользоваться алгоритмом DES для решения разнообразных криптографических задач, разработаны четыре рабочих режима:

-электронная кодовая книга ЕСВ (electronic code book);

-сцепление блоков шифра СВС (cipher block chaining);

-обратная связь по шифртексту CFB (cipher feed back);

-обратная связь по выходу OFB (output feed back).

В курсовой работе мы реализовывали режим «электронная кодовая книга». Изучив теорию, можем приступить к практическому рассмотрению алгоритма. Была разработана программа, наглядно показывающая работу алгоритма DES.

3. Разработка программной реализации алгоритма

В данном разделе курсового проекта приводится описание программного продукта, реализующего алгоритм шифрования DES: показывается логика работы программы, описываются процедуры и функции.

Программа “Research DES” написана на языке программирования высокого уровня C++; при разработке использовалась среда Borland C++ Builder. Исходный текст программы приведен в приложении 1.

Программа представляет собой приложение для операционной системы Windows, которое выполняется следующим образом: пользователь выбирает файл, который содержит необходимое для шифрования сообщение. Получив имя файла, программа открывает его, производит необходимые действия над данными, и записывает полученный результат в нужный пользователю файл.

Предлагаемый программный продукт содержит следующие компоненты:

а) Основной файл mainform.cpp.

б) Алгоритм преобразования исходного сообщения.

в) Алгоритм преобразования входных данных.

Пользователю предлагается ввести ключ, который может быть представлен в двоичном, шестнадцатеричном или текстовом виде. Затем необходимо выбрать источник данных: файл или строка. При шифровании строки, пользователь вводит необходимую информацию, и нажимает кнопку «старт». Вывод зашифрованной информации осуществляется в свободное поле. При шифровании файла, пользователь указывает необходимый файл, выбирает конечный файл и нажимает кнопку «старт». Зашифрованная информация записывается в указанный пользователем конечный файл.

Заключение

В процессе разработки курсового проекта были получены навыки работы и программирования приложений на языке C++ в среде Borland C++ Builder. В результате работы над проектом получена работоспособная программа, реализующая шифрование по алгоритму DES в режиме «электронная кодовая книга». Данный продукт может использоваться как учебное пособие, или для домашнего пользования. Симметричные алгоритмы шифрования еще долго будут актуальны.

Список использованных источников

1. Ю.В.Романец, П.А. Тимофеев, В.Ф. Шаньгин Защита информации в компьютерных системах и сетях: Радио и связь: Москва, 1999. - 328 с.

2 Брюс Шнайер, Прикладная криптография: БХВ-Питер: Санкт-Петербург,2004.-718 с.

Приложение А

Листинг программы А.1 –mainform.cpp

#include <vcl.h>

#pragma hdrstop

#include "DESAlgorithms.h"

#include "MainForm.h"

#pragma package(smart_init)

#pragma link "SHDocVw_OCX"

#pragma link "DataFrame"

#pragma resource "*.dfm"

TMainDialogForm *MainDialogForm;

__fastcall TMainDialogForm::TMainDialogForm(TComponent* Owner)

: TForm(Owner)

{

KeysDataFrame->EditLeft = 80;

KeysDataFrame->AddField("Ключ", false);

SrcDataFrame->EditLeft = 100;

SrcDataFrame->AddField("Входная строка", false);

SrcDataFrame->AddField("Результат", true);

}

void __fastcall TMainDialogForm::BrowseInpFilePathButtonClick(TObject *Sender)

{

if (OpenDialog->Execute()) InpFilePathEdit->Text = OpenDialog->FileName;

}

void __fastcall TMainDialogForm::BrowsOutFilePathButtonClick(

TObject *Sender)

{

if (SaveDialog->Execute()) OutFilePathEdit->Text = SaveDialog->FileName;

}

void __fastcall TMainDialogForm::AutoStartButtonClick(TObject *Sender)

{

DESAlg.Key = KeysDataFrame->Field["Ключ"];

if ( IsCryptRadioButton->Checked ) DESAlg.Crypt = true;

else DESAlg.Crypt = false;

if (SourcePageControl->ActivePage == StringSrcSheet) {

//Входные данные берем из строки "Входная строка"

DESAlg.Data = SrcDataFrame-> Field["Входная строка"];

}

else if (SourcePageControl->ActivePage == FileSrcSheet) {

//Входные данные берем из файла, путь к которому находится в

//InpFilePathEdit

DESAlg.Data = ReadAnsiStringFromFile( InpFilePathEdit->Text );

}

DESAlg.Exectute();

if (SourcePageControl->ActivePage == StringSrcSheet) {

SrcDataFrame->Field["Результат"] = DESAlg.Data;

}

else if (SourcePageControl->ActivePage == FileSrcSheet) {

//Выходные данные записываем в файл, путь к которому находится в

//OutFilePathEdit

if (WriteAnsiStringToFile( DESAlg.Data, OutFilePathEdit->Text ))

}

}

//Чтение файла в AnsiString

AnsiString __fastcall TMainDialogForm::ReadAnsiStringFromFile(

AnsiString FileName)

{

AnsiString Result;

try {

TFileStream *in = new TFileStream(FileName, fmOpenRead); //открываем файл

if( in != NULL ) {

int size = in->Size;

if( size != 0 ) {

try {

Result.SetLength(size);

in->Read((void *)(Result.data()), size);

}

catch( EOutOfMemory& ) {}

delete in;

}

}

}

catch ( EStreamError& ) MB_OK );

return Result;

}

//Запись в файл из AnsiString

bool __fastcall TMainDialogForm::WriteAnsiStringToFile(AnsiString String,

AnsiString FileName)

{

try {

TFileStream *out = new TFileStream(FileName, fmCreate); // открываем файл

if( out != NULL ) {

if( String.Length() != 0 ) {

try {

out->Write((void *)(String.data()), String.Length());

}

catch( EOutOfMemory& ) {}

delete out;

}

}

}

catch (EStreamError&)

return true;

}

Листинг программы А.2 –des.cpp

#include <vcl.h>

#pragma hdrstop

#include "DES.h"

#pragma package(smart_init)

//Извлечение бита из массива символов

int get_bit (unsigned char *data, int num)

{

return (int)((data[num/8] & (1 << (7 - (num % 8)))) != 0);

}

//Установка бита в массиве символов

void set_bit (unsigned char *data, int num, int bit)

//Циклический сдвиг влево массива data из num_elem элементов на num_shift

//позиций

void shift_left (unsigned char *data, int num_elem, int num_shift)

{

int save_bit;

for (int k=0; k < num_shift; ++k)

{

save_bit = get_bit(data, 0);

for (int i=0; i < num_elem - 1; ++i)

{

data[i] <<= 1;

set_bit(&data[i], 7, get_bit(&data[i+1], 0));

}

data[num_elem-1] <<=1;

set_bit (&data[num_elem-1], 7, save_bit);

}

}

//Циклический сдвиг вправо массива data из num_elem элементов на num_shift

//позиций

void shift_right (unsigned char *data, int num_elem, int num_shift)

{

int save_bit;

for (int k=0; k < num_shift; ++k)

{

save_bit = get_bit(&data[num_elem-1], 7);

for (int i=num_elem - 1; i >= 1 ; --i)

{

data[i] >>= 1;

set_bit(&data[i], 0, get_bit(&data[i-1], 7));

}

data[0] >>=1;

set_bit (&data[0], 0, save_bit);

}

}

//Циклический сдвиг влево массива data из 28 элементов (сдвиг ключа) на \

//num_shift позиций

void shift_left_key (unsigned char *key, int num_shift)

{

int save_bit;

for (int i=0; i<num_shift; ++i)

{

shift_left(key, 7, 1);

save_bit=get_bit(key, 27);

set_bit(key, 27, get_bit(key, 55));

set_bit(key, 55, save_bit);

}

}

//Циклический сдвиг влево массива data из 28 элементов (сдвиг ключа) на

//num_shift позиций

void shift_right_key (unsigned char *key, int num_shift)

{

int save_bit;

for (int i=0; i<num_shift; ++i)

{

shift_right(key, 7, 1);

save_bit=get_bit(key, 0);

set_bit(key, 0, get_bit(key, 28));

set_bit(key, 28, save_bit);

}

}

//Обменивает биты в соответсвии с таблицами перестановки

//data_src - входной массив данных. Если NULL тогда данные берутся из data_des

//data_des - входной/выходной массив данных.

//transposition_table - таблица перестановки

//num - кол-во элементов / 8 в data_des и элементов в transposition_table

void transposition (unsigned char *data_des, unsigned char *data_src,

int *transposition_table, int num)

{

bool delete_mem=false;

if (data_src==NULL)

{

data_src = new unsigned char[num / 8];

memcpy(data_src, data_des, num / 8);

delete_mem=true;

}

for (int i=0; i<num; ++i)

set_bit(data_des, i, get_bit(data_src, transposition_table[i] - 1));

if (delete_mem) delete [] data_src;

}

//Возвращает значение S-подстановки

int get_S_substitution (int inp, int *S_table)

//Реализует алгоритм подстановки S-блоков

void S_block (unsigned char *dest, unsigned char *src)

{

int S_inp;//6 бит, подающиеся на вход в S-блок

int S_out;//4 бита, получаемые из S-блока

for (int i=0; i<4; ++i) dest[i]=0;

for (int i=0; i<8; ++i)

}

//Сам алгоритм DES. i_key - 64 бита (8 байт) (с битами четности); data - 64 бита

//Алгоритм используется как при шифровании, так и при дешифровании. Ключ при

//дешифровании менять самим. При decode==false - зашифровка, если ==true -

//расшифровка

void DES_algorithm (unsigned char *i_key, unsigned char *data,

bool decode=false)

{

unsigned char key[7]; //Ключ без битов четности

unsigned char Li[4]; //сохраненная левая половина данных

unsigned char small_key[6]; //ключ после перестановки со сжатием

unsigned char big_data[6]; //данные после перестановки с расширением

unsigned char small_data[4]; //данные после подстановки с помощью

//S-блоков

//Перестановка ключа (+ избавление от 8х битов)

transposition (key, i_key, table_key_initial_transposition, 56);

//Первоначальная перестановка данных

transposition (data, NULL, table_initial_transposition, 64);

for (int i=0; i<16; ++i)

{

//Сохранение Li (берется из правой части)

memcpy(Li, &data[4], 4);

//Сдвиг ключа

if (!decode)

{

shift_left_key (key, table_shift_key[i]); //При зашифровке

}

else

{

shift_right_key (key, table_shift_key_right[i]); //При расшифровке

}

//Перестановка ключа со сжатием

transposition (small_key, key,

table_transposition_with_compression, 48);

//Перестановка данных с расширением

transposition (big_data, &data[4],

table_transposition_with_extension, 48);

//Сложение данных XOR с ключом

for (int k=0; k<6; ++k)big_data[k]^=small_key[k];

//Подстановка с помощью S-блоков

S_block (small_data, big_data);

//Перестановка данных с помощью P-блоков

transposition (small_data, NULL, table_transposition_P_block, 32);

//Сложение XOR данных левой и правой частей

for (int k=0; k<4; ++k) small_data[k] ^= data[k];

//Запись в data полученных результатов

memcpy(&data[0], Li, 4);

memcpy(&data[4], small_data, 4);

}

//Заключительный обмен полученных результатов

memcpy(Li, &data[0], 4);

memcpy(&data[0], &data[4], 4);

memcpy(&data[4], Li, 4);

//Заключительная перестановка

transposition (data, NULL, table_final_transposition, 64);

}