МУ им. С.Ю. Витте, применение современных криптографических средств (рейтинговая работа)

Рейтинговая работа состоит из задания, по которому необходимо провести шифрование и дешифрование текстовых данных. Задание повышенной сложности предусматривает разработку программного решения для шифрования данных. Решение задач рейтинговой работы рассчитано на обретение навыков применения криптографических алгоритмов в профессиональной деятельности.

Задание предусматривает любое количество вариантов.

ЗАДАНИЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РЕЙТИНГОВОЙ РАБОТЫ

1. Задание базового уровня.

Зашифровать вручную (методом замены, одноалфавитной подстановкой) свои данные «фамилия имя отчество» по парольной фразе из любого известного классического произведения двумя способами: «символы на символы» и «символы на цифры». В отчете представить матрицы-ключи в соответствии с таблицами 1-3.

2. Задание повышенной сложности.

Составить программу для шифрования методом замены. При составлении программы использовать образец, в который необходимо внести изменения, соответствующие Вашему индивидуальному заданию. Учесть различие строчных и прописных букв русского алфавита. Программа может быть создана с помощью макросов табличного редактора (напр., MS Excel, Onlyoffice) или с помощью языка программирования Python.

ВАЖНО! Если вы выбрали вариант разработки ПО на языке программирования Python, то в ПО обязательно должен быть реализован пользовательский интерфейс с возможностью ввода данных, а также должен быть приложен исполняемый exe файл.

Пример выполнения шифрования

Шифрование методом замены (подстановки) состоит в замене символов одного алфавита на символы другого алфавита, называемого шифроалфавитом. Последний получают перестановкой букв алфавита в произвольном порядке. Шифроалфавит и является ключом для шифрования и дешифрования. Замена может быть заменой «символы на символы» либо «символы на цифры». По стойкости и трудоемкости методы замены подразделяются на: одноалфавитную подстановку, многоалфавитную одноконтурную подстановку, многоалфавитную одноконтурную монофоническую подстановку, многоалфавитную многоконтурную подстановку.

Одноалфавитная подстановка – это прямая замена символов шифруемого сообщения другими символами того же самого или другого алфавита (или соответствующими им цифрами). Трудоемкость этого метода невелика, но также низка и стойкость: 20–30.

Зашифрованный текст имеет те же самые статистические характеристики, что и исходный, поэтому зная стандартные частоты появления символов в том языке, на котором написано сообщение и, подбирая по частотам появления символы в зашифрованном сообщении, можно восстановить таблицу замены. Для этого требуется лишь достаточно длинный зашифрованный текст, чтобы получить достоверные оценки частот появления символов. Поэтому простую замену используют лишь в том случае, когда шифруемое сообщение достаточно коротко.

Поскольку ключ (шифроалфавит) необходимо хранить в секрете, исторически сложилось использовать не произвольную перестановку, которую трудно запомнить, а парольную фразу из какой-нибудь известной отправителю и получателю книги.

Парольная фраза построчно заполняется в матрицу-ключ размером, например, 6×6. При этом повторяющиеся в парольной фразе символы в матрицу-ключ не заносятся. Если после этого в таблице остались пустые клетки, их заполняют недостающими буквами по, например, алфавитному порядку.

Возьмѐм в качестве примера парольную фразу: «Зима! Крестьянин, торжествуя, на дровнях обновляет путь» и занесем еѐ в таблицу без повторов букв (табл. 1).

Таблица 1. Таблица с парольной фразой

Часть букв алфавита осталась не представленной в табл. 1, поэтому заполняем ими оставшиеся пустые поля и получим итоговую матрицу-ключ для шифрования (табл. 2).

Таблица 2. Матрица-ключ для шифрования методом замены с одноалфавитной подстановкой по парольной фразе способом «символы на цифры»

Далее каждый символ текста, подлежащего шифрованию, заменяется парой чисел: номером строки и номером столбца, на пересечении которых этот символ находится в матрице-ключе. Например, слово «ура» будет иметь зашифрованный вид: 36 21 14. Это способ замены «символы на цифры».

При замене «символы на символы» в матрицу-ключ необходимо дописать символы исходного алфавита по порядку. По этим символам находятся заменяющие их символы. В этом случае матрицу-ключ использовать не обязательно, можно просто расположить символы шифроалфавита и алфавита в столбец (строку). Чтобы различать маленькие и большие буквы, их легко добавить в шифроалфавит (в этом примере они не различаются).

Для дешифрования необходимо составить дешифроалфавит в обратном порядке. В табл. 3 представлена матрица-ключ, содержащая шифроалфавит с той же парольной фразой (знаки препинания для упрощения опущены) и дешифроалфавит для замены способом «символы на символы», которая будет использована в Задании 2.

Таблица 3. Матрица-ключ для шифрования методом замены с одноалфавитной подстановкой по парольной фразе способом «символы на символы»

Таким образом, при шифровании методом замены «символы на символы» слово «ура» будет иметь зашифрованный вид «лдз», а слово «сон» – «хвж».

Пример программы шифрования

Рисунок 1 - Рис. 3.7. Вид окна программы шифрования и дешифрования методом замены «символы на символы»

Рисунок 2 - Вид окна исходного текста перед шифрованием методом замены «символы на символы»

Рисунок 3 - Вид окна исходного текста после шифрования методом замены «символы на символы»

Зашифрованную часть текста необходимо вновь выделить и выполнить программу дешифрования. Текст должен принять первоначальный вид (рис. 2).

ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ РЕЙТИНГОВОЙ РАБОТЫ

Рейтинговая работа выполняется обучающимся самостоятельно в электронной форме и размещается обучающимся в личном кабинете в виде архивного файла *.zip. Состав архивного файла:

- файл отчета по работе с именем файла ФИО.docx  или ФИО.odt 

(пример: «Иванов АС.docx», «Иванов АС. odt »)

- файлы программы:

· в виде табличного файла с макросами формата .xlsm (для MS Excel) или .xlsх (для Onlyoffice),

· либо в виде файлов .py (для языка программирования Python) и исполняемого .exe файла.

Для подготовки к выполнению рейтинговой работы рекомендуется самостоятельное изучение учебной литературы, использование справочной литературы из ЭБС и интернет - ресурсов. По мере изучения темы следует ознакомится с рабочим учебником.