ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
ШИФРЫ ПРОСТОЙ ЗАМЕНЫ
1. ШИФР ЦЕЗАРЯ
В 1 в. н.э. Ю. Цезарь во время войны с галлами, переписываясь со своими друзьями в Риме, заменял в сообщении первую букву латинского алфавита (А) на четвертую (D), вторую (В) – на пятую (Е), наконец, последнюю – на третью:
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C
Пример 1.1. Донесение Ю. Цезаря Сенату об одержанной им победе
над Понтийским царем выглядело так:
YHQL YLGL YLFL («Veni, vidi, vici» – лат. «Пришел, увидел, победил»).
Император Август (1 в. н. э.) в своей переписке заменял первую букву на вторую, вторую – на третью и т. д., наконец, последнюю – на первую:
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A
Пример 1.2. Любимое изречение императора Августа выглядело так:
GFTUJOB MFOUF («Festina lente» – лат. «Торопись медленно»).
Таким образом, множество отображений шифра Цезаря – это циклическая подгруппа />симметрической группы />, состоящая из подстановок сдвига:
/>,
где />. (Определение математическое, для многих не понятное.)
Система Цезаря – это моноалфавитная подстановка (т.к. каждой букве открытого текста ставится в соответствие одна буква шифртекста), преобразующая открытый текст />в криптограмму />. При использовании для шифрования подстановки />символ />открытого текста заменяется символом />шифрованного текста.
Цезарь использовал подстановку />. Величина сдвига />может выступать в качестве ключа. Шифр Цезаря является очень неустойчивым к вскрытию: для расшифровки достаточно осуществить перебор всех ключей, число которых меньше />(для латинского алфавита их будет 26).
Для улучшения криптографической стойкости шифра Цезаря можно в качестве преобразующего алфавита задать его рандомизированную версию. В этом случае будет 26! способов упорядочивания алфавита. Но в качестве ключа будет не величина сдвига (одна цифра), а рандомизированный вариант алфавита.
2. МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ШИФР ЦЕЗАРЯ
Аббат Тритемеус – автор первой печатной книги о тайнописи (1518 г.) – предложил несколько шифров и среди них шифр, который можно считать усовершенствованием шифра Цезаря. Все буквы алфавита нумеруются по порядку (от 1 до 31 в русском варианте).
Затем выбирают какое-нибудь слово, называемое «ключом», и подписывают под сообщением с повторением.
Чтобы получить шифрованный текст, складывают номер очередной буквы с номером соответствующей буквы ключа. Если полученная сумма больше 31, то из нее вычитают 31. В результате получают последовательность чисел от 1 до 31. Вновь заменяя числа этой последовательности соответствующими буквами, получают шифрованный текст. Разбивая этот текст на группы одной длины, получают шифрованное сообщение.
Пример 1.3. Выбираем ключевое слово «Пособие». Составляем сообщение «сессия начинается в конце семестра»
с е с с и я н а ч и н а е т с я в к о н ц е с е м е с т р а
п о с о б и е п о с о б и е п о с о б и е п о с о б и е п о
Шифруем, разбиваем текст на группы длины 6, и получаем шифрованное сообщение:
в ф д а и и у р з ь э в о ш в о ф щ р ц э х б ч ы з ь ш б п
Чтобы получить шифрованный текст, складывают номер очередной буквы с номером соответствующей буквы ключа. Если полученная сумма больше 33, то из нее вычитают 33. В результате получают последовательность чисел от 1 до 33. Вновь заменяя числа этой последовательности соответствующими буквами, получают шифрованный текст. Разбивая этот текст на группы одной длины, получают шифрованное сообщение.
Если под ключом шифра понимать однобуквенное слово “В” (в русском варианте), то мы получим шифр Цезаря.
Пример 1.4. Для сообщения из примера 1.3, получим:
ф и ф ф л в р г ь л р г и х ф в в н т р щ и ф и п и ф х у г
3. ШИФР АТБАШ
Шифр Атбаш. Коды появились в глубокой древности в виде криптограмм. Порой священные иудейские тексты шифровались методом замены. Вместо первой буквы алфавита писалась последняя буква, вместо второй — предпоследняя и т.д. Этот древний шифр назывался Атбаш.
Если попытаться изобразить механизм шифра Атбаш наглядно, то это может выглядеть следующим образом:
А
Б
В
Г
Д
…
Э
Ю
Я
_
/>
Рис. 1
Так, например, для текста, состоящего только из букв кириллического алфавита и пробела, замена будет осуществляться по правилу: А-пробел, Б-Я, В-Ю и т.д. Абсолютно аналогично справедлива обратная замена. При программной реализации методов шифрования текста на языке ObjectPascalцелесообразно использовать таблицу ASCIIи функции работы с ней (ordи chr). В данном случае ключ шифрования не задан явным образом, но подразумевается, что он равен 1.
Можно вполне модифицировать данный простейший шифр и добавить некоторые дополнительные параметры (изменить первичный ключ или способ его генерации).
Данный алгоритм шифрования текста легко запрограммировать, например, следующим образом.
Function Atbash(openchar:char):char;
Begin
Atbash := 255 – ord(openchar);
End;
Как видно из фрагмента программы функция Atbashпереводит символ открытого текста в шифр путем зеркального отражения по таблице ASCII, состоящей из 256 символов (0..255).
ЗАДАНИЕ
Реализовать все описанные варианты шифра Цезаря (циклический сдвиг алфавита, рандомизированный алфавит замены, шифрование с ключевым словом).
Реализовать шифр Атбаш.
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
Ниже приводится пример реализации шифра Цезаря в среде Delphi.
Общая схема шифра для латинского алфавита изображена на рис. 2.
/>
А
B
C
D
E
F
G
H
I
…
Рис. 2
То есть, отображение происходит по правилу: A-D, B-E, C-F, D-Gи т.д.
Например, слово BAGбудет зашифровано в EDJ. Очевидно, что для обратного преобразования необходимо «сдвинуть» символы в обратную сторону на количество, равное исходному ключу.
Шифрование можно выразить общей формулой:
/>, где
С – шифрованный символ,
О – открытый текст,
key – ключ (сдвига).
Обратное же преобразование будет выполняться по формуле:
/>, где
С – шифрованный символ,
О – открытый текст,
key – ключ (сдвига).
Теперь приступим непосредственно к программированию данных шифров.
Запустите инструментальную объектно-ориентированную среду программирования Delphi. (Пуск/Программы/Borland Delphi/Delphi)
Создайте новый проект и сохраните его в новой папке AtbashCezar.
Поместите на форму следующие компоненты со страниц:
Standard:
Label 3 шт;
Memo 2 шт;
ComboBox 1 шт;
RadioGroup 1 шт;
CheckBox 1 шт;
ActionList 1 шт.
Additional:
BitBtn 7 шт.
Dialogs:
OpenDialog 1 шт;
SaveDialog 1 шт.
Задайте следующие свойства данным компонентам:
Компонент
Свойство
Значение
Form1
Caption
Шифрование текста
Label1
Caption
Выберите шифр
Label2
Caption
Исходный текст
Label3
Caption
Результат
ComboBox1
Items
Атбаш
Шифр Цезаря
ComboBox1
ItemIndex
0
RadioGroup1
ItemIndex
0
RadioGroup1
Items
Шифровать
Расшифровать
RadioGroup1
Caption
Действие
CheckBox1
Name
Clr
CheckBox1
Caption
Всегда очищать результат
BitBtn1
Caption
Выполнить
BitBtn2
Caption
Очистить
BitBtn3
Caption
Очистить
BitBtn4
Caption
Поменять
BitBtn5
Caption
Выход
BitBtn6
Caption
Открыть исх. текст из файла
BitBtn7
Caption
Сохранить результат в файл
SaveDialog1
Filter
Текстовые файлы|*.txt
OpenDialog1
Filter
Текстовые файлы|*.txt
ActionList1
Name
Crypto
Свойства Glyph(иконка, файл *.ico) компонента BitBtn заполните самостоятельно. СтандартныеиконкидлякнопокDelphi расположенывC:\Program files\Common files\Borland Shared\Images\Buttons. Также вы можете изменить свойство Font компонентов Label1 и Label2.
Расположите компоненты на форме по образцу:
/>/>/>/>/>
Создайте следующие подпрограммы шифрования строк (после implementation):
{ШифрАтбаш. Симметричный}
functioncatbash(s:string):string;
var i:integer; c,d:char;rez:string;
begin
rez:='';
for i:=1 to length(s) do
begin
c:=s[i];
d:=chr(255-ord(c));
rez:=rez+d;
end;
catbash:=rez;
end;
{ШифрЦезаря. Шифрование}
functioncEcezar(s:string; key:byte):string;
var i:integer; c,d:char;rez:string;
begin
rez:='';
for i:=1 to length(s) do
begin
c:=s[i];
d:=chr((ord(c)+ key)mod 255);
rez:=rez+d;
end;
cEcezar:=rez;
end;
{ШифрЦезаря. Расшифрование}
functioncDcezar(s:string;key:byte):string;
var i:integer; c,d:char;rez:string;
begin
rez:='';
for i:=1 to length(s) do
begin
c:=s[i];
d:=chr((ord(c)- key)mod 255);
rez:=rez+d;
end;
cDcezar:=rez;
end;
Двойным щелчком вызовите редактор компонента Crypto (TActionList) и создайте следующие действия:
/>/>
Д/>ля переименования в соответствии с образцом измените свойство Name у каждого действия.
Для каждого из действий опишите подпрограммы:
procedureTForm1.AtbashExecute(Sender: TObject);
var i:integer;
begin
for i:=0 to memo1.Lines.Count do
memo2.Lines.Add(catbash(memo1.Lines[i]));
end;
procedureTForm1.ECezarExecute(Sender: TObject);
var i:integer;key:byte;
begin
key:=strtoint(inputbox('ШифрЦезаря','Введитезначениеключа— толькоцелоечисло','3'));
for i:=0 to memo1.Lines.Count do
memo2.Lines.Add(cEcezar(memo1.Lines[i],key));
end;
procedure TForm1.DCezarExecute(Sender: TObject);
var i:integer;key:byte;
begin
key:=strtoint(inputbox('ШифрЦезаря','Введитезначениеключа— толькоцелоечисло','3'));
for i:=0 to memo1.Lines.Count do
memo2.Lines.Add(cDcezar(memo1.Lines[i],key));
end;
procedure TForm1.clearExecute(Sender: TObject);
begin
memo2.Clear;
end;
procedure TForm1.changeExecute(Sender: TObject);
begin
memo1.Lines:=memo2.Lines;
memo2.Clear;
end;
Опишите подпрограммы для каждой из кнопок BitBtn:
procedure TForm1.BitBtn1Click(Sender: TObject);
begin
if clr.Checked then memo2.clear;
if combobox1.ItemIndex=0 then atbash.Execute
else if action.ItemIndex=0 then ECezar.Execute
else DCezar.Execute;
end;
procedureTForm1.BitBtn2Click(Sender: TObject);
begin
memo1.Clear;
end;
procedureTForm1.BitBtn3Click(Sender: TObject);
begin
memo2.Clear;
end;
procedureTForm1.BitBtn4Click(Sender: TObject);
begin
change.Execute;
end;
procedureTForm1.BitBtn5Click(Sender: TObject);
begin
close;
end;
procedureTForm1.BitBtn6Click(Sender: TObject);
begin
if Opendialog1.Execute then
memo1.Lines.LoadFromFile(opendialog1.FileName);
end;
procedureTForm1.BitBtn7Click(Sender: TObject);
begin
if Savedialog1.Execute then
memo2.Lines.SaveToFile(savedialog1.FileName);
end;
Запустите проект. />