Програмна реалізація криптографічного алгоритму RC5 (48297)

Посмотреть архив целиком


НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Інститут інформаційно-діагностичних систем захисту інформації

Факультет телекомунікацій та захисту інформації

Кафедра комп'ютеризованих систем захисту інформації











КУРСОВА РОБОТА

СПЕЦІАЛЬНОСТІ 7.160105

"Захист інформації в комп’ютерних системах і мережах"

Тема: Програмна реалізація криптографічного алгоритму RC5











Київ 2010



Зміст


Перелік умовних позначень, символів, одиниць, скорочень і термінів

Вступ

1. Опис об'єкту, що потребує захисту: операційне середовище, тип програмного забезпечення, інші характеристики комп'ютерної системи

2. Аналіз існуючого стану захисту та теоретичне обґрунтування необхідності підвищення рівня безпеки

3. Аналіз типів можливих погроз інформаційної безпеці та визначення рівня можливостей порушника

4. Клас засобів КЗІ

5. Блок-схема алгоритму функціонування прикладної програми криптозахисту

6. Листінг тесту програми

7. Інструкція зі користування програмою

Висновки та рекомендації

Список використаної літератури



Перелік умовних позначень, символів, одиниць, скорочень і термінів


Advanced Encryption Standard - "Лучший" алгоритм шифрования;

Delphi 6.0 – середовище розробки програм, корпорації Borland;

DES – алгоритм шифрування;

FEAL – алгоритм шифрування;

Object Pascal – мова програмування в середовищі Delphi;

RC5 – алгоритм шифрування;

Rijndael – алгоритм шифрування;

КЗІ – комплекс захисту інформації;

СОД – система оброблення даних.



Вступ


В даній курсовій роботі розроблена програмна реалізація криптографічного алгоритму RC5. Написана програма-шифрувальник на підставі криптографічного алгоритму RC5.

Готове до передачі інформаційне повідомлення, спочатку відкрите і незахищене, зашифровується програмою-шифрувальником і тим самим перетвориться в шифрограму, тобто в закритий текст або графічне зображення документа. У такому вигляді повідомлення передається по каналу зв'язку, навіть і не захищеному. Санкціонований користувач після отримання повідомлення дешифрує його (тобто розкриває) за допомогою зворотного перетворення криптограми, унаслідок чого виходить початковий, відкритий вид повідомлення, доступний для сприйняття санкціонованим користувачам.

Методу перетворення в криптографічній системі відповідає використання спеціального алгоритму. Дія такого алгоритму запускається унікальним числом (послідовністю битий), зазвичай званим шифруючим ключем.

Для більшості систем схема генератора ключа може бути набором інструкцій і команд або вузол апаратури, або комп'ютерної програмою, або все це разом, але у будь-якому випадку процес шифрування (дешифрування) реалізується тільки цим спеціальним ключем. Щоб обмін зашифрованими даними минав успішно, як відправникові, так і одержувачеві, необхідно знати правильну ключову установку і зберігати її в таємниці.

Стійкість будь-якої системи закритого зв'язку визначається ступенем секретності використовуваного в ній ключа. Проте, цей ключ має бути відомий іншим користувачам мережі, щоб вони могли вільно обмінюватися зашифрованими повідомленнями. У цьому сенсі криптографічні системи також допомагають вирішити проблему аутентифікації (встановлення достовірності) прийнятої інформації. Зломщик у разі перехоплення повідомлення матиме справу тільки із зашифрованим текстом, а дійсний одержувач, приймаючи повідомлення, закриті відомим йому і відправникові ключем, буде надійно захищений від можливої дезінформації.

Програми-шифрувальники виконують тільки одну функцію - шифрування даних: файлів, каталогів і дисків по ключу, що вводиться користувачем. Застосовуються найрізноманітніші алгоритми шифрування: від криптографічний стійких DES і FEAL до тривіальних алгоритмів побітового складання з ключем. Прикладів таких програм достатні багато. До переваг програмних засобів захисту можна віднести їх невисоку вартість, простоту розробки. Недоліком таких систем є невисокий ступінь захищеності інформації. Для посилення захисту можна запропонувати використання декількох програмних засобів одночасно.

Наприклад, використовувати пароль при вході, систему розмежування доступу і режим прозорого шифрування. При цьому виникнуть певні незручності в роботі, але разом з тим зросте надійність.



1. Опис об'єкту, що потребує захисту: операційне середовище, тип програмного забезпечення, інші характеристики комп'ютерної системи


В даній курсовій роботі об'єктом, що потребує захисту є файли на дисках ПЕОМ у форматах *.doc i *.txt.

Вищеозначені файли створені в операційному середовищі – ОС Windows XP, SP2, що саме по собі є захищеним операційним середовищем.

Програма-шифрувальник розроблена за допомогою середовища програмування Delphi 6.0 корпорації Borland на мові Object Pascal. Delphi спирається на можливості ОС Windows. Як і в ОС Windows, в Delphi використовується графічний інтерфейс, що забезпечує взаємодію ПЕОМ з користувачем.

Для того, щоб Delphi 6.0 і розроблені нею програми успішно працювали, ПЕОМ повинна відповідати наступним вимогам:

  • ПЕОМ повинна мати майже процесор Pentium з тактовою частотою не менше ніж 166 МГц;

  • ОС Windows 98 чи вище;

  • Оперативна пам'ять не менше 128 Мбайт;

  • 115 Мбайт вільного місця на жорсткому диску ПЕОМ (краще 350 Мбайт для встановлення півноцінної версії системи Delphi 6.0);

  • Монітор з розрішенням не менше 640х480 пикселів;

  • Маніпулятор типу „миша”.


2. Аналіз існуючого стану захисту та теоретичне обґрунтування необхідності підвищення рівня безпеки


Звичайно, частіше за все, в свої проекти необхідно включати шифрування даних. Найпростіший спосіб - xor шифрування, але він підходить тільки коли необхідно забезпечити малий рівень захисту. Але іноді необхідні серйозніші алгоритми, такі як RC5.

Часто, працюючи, наприклад над архіваторами файлів (наприклад, WinRar), встає питання про шифрування файлів, в таких програмах як архіватор це просто необхідно.

Отже, існує ряд алгоритмів симетричного шифрування - коли один і той же ключ використовується для шифрування і дешифрування. Ці алгоритми, як правило, дуже добре вивчені і їх стійкість до різного роду атакам підтверджена результатами математичних досліджень.

Алгоритм RC5 був розроблений Рональдом Рівестом (Ronald L. Rivest) для компанії RSA Data Security. На основі RC5 свого часу був створений алгоритм шифрування RC6, який брав участь в конкурсі на звання AES (Advanced Encryption Standard - "Кращий" алгоритм шифрування), оголошеному національним інститутом стандартизації і технологій для заміни вже застарілого алгоритму DES. Тоді RC6 не виграв тільки із-за низької продуктивності апаратних реалізацій алгоритму. А програмні реалізації RC5 і RC6 є, мабуть, найшвидшими серед всіх алгоритмів шифрування, що забезпечують достатню стійкість перед атаками.

Наприклад, за деякими даними швидкість грамотно побудованої апаратної реалізації алгоритму RC5 на комп'ютері із швидкістю процесора 200 Мгц може досягати 10..11 Мбайт/сек, а алгоритму RC6 - 11..12 Мбайт/сек. Для порівняння - швидкість роботи алгоритму Rijndael (переможець конкурсу на звання AES) при вищезазначених характеристиках процесора може досягати максимум 7 Мбайт/сек.

Якщо встає необхідність впровадження алгоритмів шифрування в свої комерційні проекти - на мій погляд кращий вибір це RC5 або RC6. І не тільки тому, що вони значно простіше в реалізації, чим, наприклад, IDEA, але і тому, що RC5 і RC6 - вільні алгоритми і при цьому немає необхідності відраховувати частину прибутку при комерційному використанні алгоритму.

Отже, RC5 працює з блоками по 8 (вісім) байт - два 32 бітових слова. У відмінності від IDEA і Rijndael в RC5 після розгортання ключа обчислюється один підключ, який використовується і при шифруванні, і при дешифровці. RC5, як і більшість алгоритмів - раундовий алгоритм, іншими словами, при шифруванні блоку над ним проводяться одні і ті ж операції кілька разів, в RC5 таких раундів 12.


3. Аналіз типів можливих погроз інформаційної безпеці та визначення рівня можливостей порушника


Умисні чинники збереження інформації в СОД зарубіжні фахівці підрозділяють на погрози з боку користувачів ЕОМ і осіб, що не є користувачами. Несанкціонований доступ до інформації може включити неавторизоване користування інформацією системи і активну інфільтрацію. Неавторизоване користування інформацією ототожнюється з ситуацією, коли неавторизований користувач дістає можливість ознайомитися з інформацією, що зберігається в системі, і використовувати її в своїх цілях (прослуховування ліній зв'язку користувачів з ЕОМ, аналіз інформаційних потоків, використання програм, що є чужою власністю).

Під активною інфільтрацією інформації маються на увазі такі дії, як проглядання чужих файлів через видалені термінали, маскування під конкретного користувача, фізичний збір і аналіз файлів на картах, магнітних стрічках і дисках, флеш-дисках і так далі

Навмисні спроби проникнення в СОД можуть бути класифіковані як пасивні і активні.

Пасивне проникнення - це підключення до ліній зв'язку або збір електромагнітних випромінювань цих ліній в будь-якій точці системи особою, що не є користувачем конкретної ЕОМ.

Активне проникнення в систему є прямим використанням інформації з файлів, що зберігаються в СОД. Таке проникнення реалізується звичайними процедурами доступу: використанням відомого способу доступу до системи або її частини з метою ставлення заборонених питань, звернення до файлів, що містять інформацію, що цікавить; маскуванням під дійсного користувача після отримання характеристик (ідентифікаторів) доступу; використанням службового положення, тобто незапланованого перегляду (ревізії) інформації файлів співробітниками обчислювальної установки.

Активне проникнення в СОД може здійснюватися скритно, тобто в обхід контрольних програм забезпечення збереження інформації.

Найбільш характерні прийоми проникнення: використання точок входу, встановлених в системі програмістами, обслуговуючим персоналом, або точок, виявлених при перевірці ланцюгів системного контролю; підключення до мережі зв'язку спеціального терміналу, що забезпечує вхід в систему шляхом перетину лінії зв'язку законного користувача з ЕОМ з подальшим відновленням зв'язку за типом помилкового повідомлення, а також в мить, коли законний користувач не проявляє активності, але продовжує займати канал зв'язку; анулювання сигналу користувача про завершення роботи з системою і подальше продовження роботи від його імені.

За допомогою цих прийомів порушник, підміняючи на час його законного користувача, може використовувати тільки доступні цьому користувачеві файли; неавторизована модифікація - неавторизований користувач вносить зміни до інформації в файлах, що зберігаються в системі. В результаті користувач, якому ця інформація належить, не може дістати до неї доступ.

Поняття "неавторизований" означає, що перераховані дії виконуються всупереч вказівкам користувача, відповідального за зберігання інформації, або навіть в обхід обмежень, що накладаються на режим доступу в цій системі. Подібні спроби проникнення можуть бути викликані не тільки простим задоволенням цікавості грамотного програміста (користувача), але і навмисним отриманням інформації обмеженого використання.

Можливі і інші види порушень, що приводять до втрати або просочування інформації. Так, електромагнітні випромінювання при роботі ЕОМ і інших технічних засобів СОД можуть бути перехоплені, декодовані і представлені у вигляді бітів, що складають потік інформації.

Тому потрібний рівень захисту від порушника не нижче 3-го класу захисту.


4. Клас засобів КЗІ


Розглянутий комплекс захисту інформації можна віднести до комплексу не нижче 3 класу захищеності систем, що визначений шляхом співставлення:

  • цілей безпеки з функціональних послуг безпеки НК;

  • функцій сервісів безпеки об’єкту експертизи (ОЕ) з функціональними послугами безпеки НК.

Для співставлення з функціональним програмним забезпеченням функціонального профілю захищеності (ФПЗ) об’єкту експертизи (ОЕ) у якості базового профілю визначено стандартний ФПЗ 2.КЦД.2а, який згідно НД ТЗІ 2.5-008-2002 [12] встановлює мінімально необхідний перелік функціональних послуг безпеки та рівнів їх реалізації у комплексах засобів захисту інформації в системах класу безпеки 2 при обробці конфіденційної інформації під час застосування технології, що вимагає підвищених вимог до забезпечення конфіденційності, цілісності та доступності оброблюваної інформації.


5. Блок-схема алгоритму функціонування прикладної програми криптозахисту


Блок-схема алгоритму функціонування прикладної програми криптозахисту наведена на рис.1, 2, 3, 4 і 5.



Рис.1. Загальний алгоритм


Рис.2. Алгоритм процедури EncriptCopy



Рис.3. Алгоритм процедури DecriptCopy


Рис.4. Алгоритм процедури EncriptStream


Рис.4. Алгоритм процедури DecriptStream


6. Листінг тесту програми


unit RC5;

interface

uses

Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms,

Dialogs, StdCtrls;

type

TRC5Block = array[1..2] of LongWord;

TForm1 = class(TForm)

Edit1: TEdit;

Edit2: TEdit;

StaticText1: TStaticText;

StaticText2: TStaticText;

Button1: TButton;

Button2: TButton;

Button3: TButton;

procedure Button1Click(Sender: TObject);

procedure Button2Click(Sender: TObject);

procedure Button3Click(Sender: TObject);

private

{ Private declarations }

public

{ Public declarations }

end;

const

Rounds = 12;

BlockSize = 8;

BufferSize = 2048;

KeySize = 64;

KeyLength = 2 * (Rounds + 1);

P32 = $b7e15163;

Q32 = $9e3779b9;

var

Form1: TForm1;

Key : string;

KeyPtr : PChar;

S : array[0..KeyLength-1] of LongWord;

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

Додаткові функції

procedure Initialize(AKey: string); // Інійіалізація

procedure CalculateSubKeys; // Підготовлення підключей

function EncipherBlock(var Block): Boolean; // Шифрування блока (8 байт)

function DecipherBlock(var Block): Boolean; // Дешифрування блока

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

Головні функції

function EncryptCopy(DestStream, SourseStream : TStream; Count: Int64;

Key : string): Boolean; // Зашифрувати дані з одного потоку в іншій

function DecryptCopy(DestStream, SourseStream : TStream; Count: Int64;

Key : string): Boolean; // Розшифрувати дані з одного потоку в іншій

function EncryptStream(DataStream: TStream; Count: Int64;

Key: string): Boolean; // Зашифрувати вміст потоку

function DecryptStream(DataStream: TStream; Count: Int64;

Key: string): Boolean; // Розшифрувати вміст потоку

implementation

{$R *.dfm}

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

function ROL(a, s: LongWord): LongWord;

asm

mov ecx, s

rol eax, cl

end;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

function ROR(a, s: LongWord): LongWord;

asm

mov ecx, s

ror eax, cl

end;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

procedure InvolveKey;

var

TempKey : string;

i, j : Integer;

K1, K2 : LongWord;

begin

// Розгортання ключа до довжини 64 символи

TempKey := Key;

i := 1;

while ((Length(TempKey) mod KeySize) <> 0) do

begin

TempKey := TempKey + TempKey[i];

Inc(i);

end;

// Зараз скоротіть ключ знизу до одного KeySize блоку об'єднуючи байти

i := 1;

j := 0;

while (i < Length(TempKey)) do

begin

Move((KeyPtr+j)^, K1, 4);

Move(TempKey[i], K2, 4);

K1 := ROL(K1, K2) xor K2;

Move(K1, (KeyPtr+j)^, 4);

j := (j + 4) mod KeySize;

Inc(i, 4);

end;

end;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

procedure Initialize(AKey: string);

begin

Key := AKey;

GetMem(KeyPtr, KeySize);

FillChar(KeyPtr^, KeySize, #0);

InvolveKey;

end;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

{$R-,Q-}

procedure CalculateSubKeys;

var

i, j, k : Integer;

L : array[0..15] of LongWord;

A, B : LongWord;

begin

// Copy the key into L

Move(KeyPtr^, L, KeySize);

// Зараз ініціалізуйте S

S[0] := P32;

for i := 1 to KeyLength-1 do

S[i] := S[i-1] + Q32;

// Зараз видирається таблиця S з ключем

i := 0;

j := 0;

A := 0;

B := 0;

for k := 1 to 3*KeyLength do

begin

A := ROL((S[i] + A + B), 3);

S[i] := A;

B := ROL((L[j] + A + B), (A + B));

L[j] := B;

i := (i + 1) mod KeyLength;

j := (j + 1) mod 16;

end;

end;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

function EncipherBlock(var Block): Boolean;

var

RC5Block : TRC5Block absolute Block;

i : Integer;

begin

Inc(RC5Block[1], S[0]);

Inc(RC5Block[2], S[1]);

for i := 1 to Rounds do

begin

RC5Block[1] := ROL((RC5Block[1] xor RC5Block[2]), RC5Block[2]) + S[2*i];

RC5Block[2] := ROL((RC5Block[2] xor RC5Block[1]), RC5Block[1]) + S[2*i+1];

end;

Result := TRUE;

end;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

function DecipherBlock(var Block): Boolean;

var

RC5Block : TRC5Block absolute Block;

i : Integer;

begin

for i := Rounds downto 1 do

begin

RC5Block[2] := ROR((RC5Block[2]-S[2*i+1]), RC5Block[1]) xor RC5Block[1];

RC5Block[1] := ROR((RC5Block[1]-S[2*i]), RC5Block[2]) xor RC5Block[2];

end;

Dec(RC5Block[2], S[1]);

Dec(RC5Block[1], S[0]);

Result := TRUE;

end;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// Реалізація головних функції

function EncryptCopy(DestStream, SourseStream : TStream; Count: Int64;

Key : string): Boolean;

var

Buffer : TRC5Block;

PrCount : Int64;

AddCount : Byte;

begin

Result := True;

try

if Key = '' then

begin

DestStream.CopyFrom(SourseStream, Count);

Exit;

end;

Initialize(Key);

CalculateSubKeys;

PrCount := 0;

while Count - PrCount >= 8 do

begin

SourseStream.Read(Buffer, BlockSize);

EncipherBlock(Buffer);

DestStream.Write(Buffer, BlockSize);

Inc(PrCount, 8);

end;

AddCount := Count - PrCount;

if Count - PrCount <> 0 then

begin

SourseStream.Read(Buffer, AddCount);

DestStream.Write(Buffer, AddCount);

end;

except

Result := False;

end;

end;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

function DecryptCopy(DestStream, SourseStream : TStream; Count: Int64;

Key : string): Boolean;

var

Buffer : TRC5Block;

PrCount : Int64;

AddCount : Byte;

begin

Result := True;

try

if Key = '' then

begin

DestStream.CopyFrom(SourseStream, Count);

Exit;

end;

Initialize(Key);

CalculateSubKeys;

PrCount := 0;

while Count - PrCount >= 8 do

begin

SourseStream.Read(Buffer, BlockSize);

DecipherBlock(Buffer);

DestStream.Write(Buffer, BlockSize);

Inc(PrCount, 8);

end;

AddCount := Count - PrCount;

if Count - PrCount <> 0 then

begin

SourseStream.Read(Buffer, AddCount);

DestStream.Write(Buffer, AddCount);

end;

except

Result := False;

end;

end;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

function EncryptStream(DataStream: TStream; Count: Int64; Key: string): Boolean;

var

Buffer : TRC5Block;

PrCount : Int64;

begin

Result := True;

try

if Key = '' then

begin

DataStream.Seek(Count, soFromCurrent);

Exit;

end;

Initialize(Key);

CalculateSubKeys;

PrCount := 0;

while Count - PrCount >= 8 do

begin

DataStream.Read(Buffer, BlockSize);

EncipherBlock(Buffer);

DataStream.Seek(-BlockSize, soFromCurrent);

DataStream.Write(Buffer, BlockSize);

Inc(PrCount, 8);

end;

except

Result := False;

end;

end;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

function DecryptStream(DataStream: TStream; Count: Int64; Key: string): Boolean;

var

Buffer : TRC5Block;

PrCount : Int64;

begin

Result := True;

try

if Key = '' then

begin

DataStream.Seek(Count, soFromCurrent);

Exit;

end;

Initialize(Key);

CalculateSubKeys;

PrCount := 0;

while Count - PrCount >= 8 do

begin

DataStream.Read(Buffer, BlockSize);

DecipherBlock(Buffer);

DataStream.Seek(-BlockSize, soFromCurrent);

DataStream.Write(Buffer, BlockSize);

Inc(PrCount, 8);

end;

except

Result := False;

end;

end;

// Завершення головних функції ...

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

{$R+,Q+}

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);

var

SourseStream : TFileStream;

begin

SourseStream := TFileStream.Create(Edit1.Text, fmOpenReadWrite);

EncryptStream(SourseStream, SourseStream.Size, Edit2.Text);

SourseStream.Free;

end;

procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject);

var

SourseStream : TFileStream;

begin

SourseStream := TFileStream.Create(Edit1.Text, fmOpenReadWrite);

DecryptStream(SourseStream, SourseStream.Size, Edit2.Text);

SourseStream.Free;

end;

procedure TForm1.Button3Click(Sender: TObject);

begin

Close

end;

end.


7. Інструкція зі користування програмою


Нижченаведений інтерфейс програми-шифрувальника, що створений засобами Delphi організовує шифрування / дешифрування файлу (рис.6) з використанням функцій EncryptStream / DecryptStream ():


Рис.6. Вікно програми-шифрувальника


До поля „Файл-Джерело” вводиться шлях до файлу з розширенням *.txt чи *.doc, що необхідно зашифрувати, наприклад, C:\instLog.txt, а до поля „Ключ” вводиться ключ шифрування, наприклад, 135 (рис.7).



Рис.7. Введення вхідних даних до полів вікна програми шифрувальника


При натисканні кнопки „Зашифрувати”, здійснюється шифрування змісту файла instLog.txt (рис.8).