Введение, где определяется актуальность и цели исследования
В современном цифровом мире значимость криптографии неоспорима, поскольку она обеспечивает конфиденциальность и целостность данных. Наряду со сложными и ресурсоемкими стандартами шифрования, особую нишу занимают простые, но эффективные алгоритмы, предназначенные для сред с ограниченными вычислительными возможностями. Одним из ярких представителей такого класса является Tiny Encryption Algorithm (TEA), разработанный Дэвидом Уилером и Роджером Нидемом в 1994 году. Его элегантность и компактность делают его прекрасным объектом для изучения.
Целью данной курсовой работы является комплексная разработка и анализ программной реализации блочного шифра TEA. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
- Изучить теоретические основы и математическую модель алгоритма TEA.
- Реализовать функции шифрования и дешифрования на выбранном языке программирования.
- Провести функциональное тестирование разработанного модуля для проверки корректности его работы.
- Систематизировать и оформить полученные результаты в соответствии с академическими требованиями.
Глава 1. Постановка задачи и обзор предметной области
В рамках данной курсовой работы ставится конкретное техническое задание: разработать программный модуль на языке Python, реализующий шифрование и дешифрование данных в соответствии с алгоритмом TEA. Модуль должен принимать на вход 64-битный блок открытого текста и 128-битный ключ, а на выходе предоставлять соответствующий шифротекст и корректно выполнять обратное преобразование.
Анализ литературы по теме показывает, что алгоритм TEA хорошо изучен. В классических трудах по криптографии он приводится как пример компактного и быстрого шифра. Современные исследования чаще фокусируются на его уязвимостях, в частности, на возможности проведения атак с использованием открытого текста. Несмотря на это, TEA не теряет своей актуальности как образовательный инструмент. Его изучение позволяет на практике освоить ключевые принципы построения блочных шифров, такие как сеть Фейстеля, раундовые преобразования и работа с ключами, не углубляясь в избыточную математическую сложность. Именно эта дидактическая ценность и обуславливает его выбор в качестве объекта исследования, даже на фоне существования более стойких версий, таких как XXTEA.
Глава 2. Теоретический анализ алгоритма шифрования TEA
TEA (Tiny Encryption Algorithm) — это блочный шифр, который оперирует с данными фиксированного размера. Его ключевые параметры строго определены:
- Размер блока: 64 бита. Исходный текст для шифрования разбивается на блоки именно такой длины.
- Длина ключа: 128 бит. Этот ключ используется на протяжении всего процесса шифрования.
- Количество раундов: 32 (что эквивалентно 64 итерациям в сети Фейстеля).
Структура алгоритма основана на сети Фейстеля. Перед началом шифрования 64-битный блок данных разделяется на две 32-битные части (условно L и R), а 128-битный ключ — на четыре 32-битных подключа (K0, K1, K2, K3). Далее следует цикл из 32 раундов, в каждом из которых выполняются простые, но эффективные операции: побитовое исключающее «ИЛИ» (XOR), арифметическое сложение и логические сдвиги. Эти операции смешивают данные с частями ключа, обеспечивая диффузию и конфузию.
Особую роль в алгоритме играет так называемая «магическая константа» Delta (Δ), равная 0x9E3779B9. Она является производной от золотого сечения и используется для того, чтобы предотвратить атаки, основанные на симметрии раундов, делая каждый раунд уникальным. Планирование ключей в TEA предельно простое: четыре 32-битных подключа используются в раундах напрямую без дополнительных преобразований.
Глава 3. Выбор методологии и инструментов разработки
Для реализации программного модуля был выбран язык программирования Python. Этот выбор обусловлен несколькими причинами: высокая скорость прототипирования, простой и ясный синтаксис, а также удобные встроенные средства для работы с битовыми операциями, что критически важно для криптографических алгоритмов. Хотя для высокопроизводительных систем предпочтительнее был бы C++, для образовательных и исследовательских целей курсовой работы Python является оптимальным решением.
В качестве методологии разработки был применен итеративный подход. Он позволил разбить сложную задачу на управляемые этапы:
- Реализация базовых битовых операций и раундовой функции.
- Создание функции шифрования, инкапсулирующей полный цикл из 32 раундов.
- Разработка функции дешифрования как обратной последовательности операций.
- Написание тестов для проверки корректности работы каждой функции на заранее определенных данных.
Разработка велась в среде Visual Studio Code, которая предоставляет удобные инструменты для отладки и анализа кода.
Глава 4. Программная реализация и листинг кода
Программная реализация алгоритма TEA была выполнена в виде набора логически разделенных функций, что обеспечивает читаемость и модульность кода. Ниже приведено описание ключевых блоков программы с комментариями.
Функция шифрования (encrypt)
Эта функция принимает на вход 64-битный блок данных (в виде двух 32-битных чисел) и 128-битный ключ (в виде четырех 32-битных чисел). Внутри функции организуется цикл, повторяющийся 32 раза. На каждой итерации происходят последовательные преобразования левой и правой половин блока данных с использованием битовых сдвигов, сложений, операций XOR и подключа. Переменная `sum` инкрементируется на значение константы Delta на каждом шаге, что делает каждую раундовую функцию уникальной. По завершении цикла функция возвращает измененные 32-битные числа, которые вместе и составляют 64-битный шифротекст.
Функция дешифрования (decrypt)
Функция дешифрования представляет собой точную инверсию функции шифрования. Она принимает на вход шифротекст и тот же ключ. Цикл также состоит из 32 раундов, однако все операции выполняются в обратном порядке, а вместо сложения используется вычитание. Начальное значение переменной `sum` устанавливается равным `Delta << 5`, и на каждой итерации оно уменьшается на Delta. Корректная реализация этого обратного процесса гарантирует, что после дешифрования мы получим исходный открытый текст.
Главная функция (main)
Этот блок отвечает за взаимодействие с пользователем, получение входных данных (текста и ключа), их корректную обработку (разбиение на блоки) и вызов функций шифрования и дешифрования с последующим выводом результатов на экран.
Глава 5. Тестирование и проверка корректности работы алгоритма
Для проверки работоспособности созданной программы была применена методика тестирования на контрольных примерах. Было подготовлено несколько наборов данных, каждый из которых включал исходный 64-битный блок открытого текста и 128-битный ключ. С помощью разработанного модуля для каждого набора выполнялась процедура шифрования, а затем полученный шифротекст передавался в функцию дешифрования.
Критерием успешного прохождения теста являлось полное совпадение текста после дешифрования с исходным открытым текстом. Это подтверждает, что и прямой, и обратный алгоритмы реализованы без ошибок. Результаты тестирования для одного из контрольных примеров сведены в таблицу для наглядности.
| Параметр | Значение (в 16-ричном формате) |
|---|---|
| Исходный текст | 0x0102030405060708 |
| Ключ | 0xAABBCCDDEEFF00112233445566778899 |
| Шифротекст (полученный) | 0x49E486638E46927B |
| Результат дешифрования | 0x0102030405060708 |
Как видно из таблицы, результат дешифрования полностью совпадает с исходным текстом, что подтверждает корректность программной реализации алгоритма.
Заключение, где подводятся итоги и намечаются пути развития
В ходе выполнения данной курсовой работы были успешно решены все поставленные задачи. Был детально изучен теоретический базис блочного шифра TEA, после чего была разработана его программная реализация на языке Python. Проведенное тестирование на контрольных примерах подтвердило полную корректность работы функций шифрования и дешифрования.
Цели курсовой работы — разработка и анализ программной реализации алгоритма — можно считать полностью достигнутыми.
В качестве возможных направлений для дальнейшего развития темы можно выделить несколько перспектив. Во-первых, представляет интерес реализация более криптостойкого варианта алгоритма, XXTEA, который устраняет некоторые известные недостатки оригинального TEA. Во-вторых, целесообразно провести сравнительный анализ производительности реализаций на разных языках программирования (например, Python против C++), чтобы наглядно оценить их сильные и слабые стороны.
Список использованных источников
В данном разделе приводится перечень всех научных статей, учебных пособий и онлайн-ресурсов, которые были использованы в процессе исследования алгоритма и написания курсовой работы. Список оформляется в строгом соответствии с требованиями действующих академических стандартов (ГОСТ или APA), указанных в методических рекомендациях, и служит для подтверждения теоретической базы исследования.
Приложение А. Полный листинг программы
В данном приложении содержится полный, нефрагментированный исходный код программного модуля на языке Python, реализующего алгоритм шифрования и дешифрования TEA. Код снабжен подробными комментариями для облегчения его анализа и проверки. Он в точности соответствует версии, которая была описана и протестирована в Главах 4 и 5 данной работы.
Приложение Б. Протокол тестирования
Данное приложение содержит расширенные материалы, подтверждающие корректность работы разработанной программы. Здесь представлены скриншоты консоли, демонстрирующие запуск программы с различными входными данными и полученные результаты. Протокол включает несколько контрольных примеров, описанных в Главе 5, и наглядно иллюстрирует процесс шифрования и последующего успешного дешифрования данных.
Список использованной литературы
- Винокуров А. Как устроен блочный шифр? // RadioScanner [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://files.radioscanner.ru/files/download/file3745/kak_ustroen_blocnij_sifr.pdf
- Петров А.А.. Компьютерная безопасность. Криптографические методы защиты. — М.: ЛАЙТ Лтд., 2002
- Шифр TEA // Энциклопедия Википедия [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/TEA