Разработка программы шифрования методом Цезаря

3

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский

технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ»

(КНИТУ-КАИ)

Лениногорский филиал

(наименование института (факультета), филиала)

Кафедра Машиностроения и информационных технологий

(наименование кафедры)

09.03.02 «Информационные системы и технологии

(шифр и наименование направления подготовки (специальности)

Курсовая работа

по дисциплине: Технология программирования

на тему: Разработка программы шифрования методом Цезаря

Обучающийся 28378 ____________ Л.Г. Галимова__

(номер группы) (подпись, дата) (Ф.И.О.)

Руководитель ст.преп. кафедры МиИТ Ю.О. Лямов____

(должность) (Ф.И.О.)

Курсовая работа зачтена с оценкой ________________

___________________

(подпись, дата)

Лениногорск 2020



Содержание

• Введение 3
• 1 Теоретическая часть 5
• 1.1 Задание 5
• 1.2 Описание средств разработки 6
• 1.3 Проект программного обеспечения 8
• 2 Практическая часть 11
• 2.1 Техническое задание 11
• 2.2 Спецификация 13
• 2.3 Описание программы 14
• 2.4 Руководство программиста 14
• 2.5 Руководство оператора 15
• 2.6 Описание контрольного примера 16
• Заключение 18
• Список использованных источников 19
• Приложение А 21


Введение

Криптография - это наука и искусство шифрования. Сегодня понятие криптографии расширилось и включает в себя аутентификацию, цифровые подписи и множество других элементарных функций безопасности. Криптография охватывает различные области математики, теории связи, технические дисциплины, создающие фундамент для построения защиты данных и взлома шифров. Существует довольно много алгоритмов шифрования информации. Наиболее известным из древних шифров замены является шифр Цезаря, названный так в честь римского императора Гая Юлия Цезаря, который использовал его для секретной переписки со своими генералами. Шифр Цезаря является одним из наиболее изученных в криптографии, и он очень полезен тем, что иллюстрирует принципы модульной арифметики, одной из математических основ кодированного письма. Принцип сокрытия информации в данном шифре довольно не сложен. Каждая буква в сообщении заменяется другой буквой, расположенной в алфавите на определенной позиции правее. Чтобы расшифровать данное сообщение, нужно всего лишь знать на какое количество позиций необходимо сместить буквы. Специалисты расходятся во мнениях по поводу практического применения шифра Цезаря, кто-то, утверждает, что сам Гай Юлий Цезарь заменял букву текста, смещая на четыре позиции в алфавите, а кто-то говорит, что он смещал на 3 позиции относительно первоначальной буквы. Также нет точного ответа, в какую именно сторону необходимо было двигаться по алфавиту, вправо или влево.

Для написания программы «Шифр Цезаря» использовалась среда разработки приложений Visual Studio 2017 и язык программирования C#, который является предпочтительной для разработки приложений для Windows.

Современная криптография образует отдельное научное направление на стыке математики и информатики - работы в этой области публикуются в научных журналах, организуются регулярные конференции. Практическое применение криптографии стало неотъемлемой частью жизни современного общества - её используют в таких отраслях как электронная коммерция, электронный документооборот (включая цифровые подписи), телекоммуникации и других.

В рамках данной курсовой работы поставлена задача написать программу, которая позволяет зашифровывать и расшифровывать с помощью «шифра Цезаря» сообщение, написанное на русском и английских языках . Этот шифр реализует следующее преобразование текста: каждая буква исходного текста заменяется по установленному ключу после нее буквой в алфавите, который считается написанным по кругу. Из описания, приведенного выше, видно что такой шифр относится к традиционным, симметричным криптосистемам.



1 Теоретическая часть

1.1 Задание

Кодирование - это процесс присвоения экономической информации условных обозначений, подчиненных определенным правилам. Совокупность правил, по которым осуществляется кодирование, называется системой кодирования. Код является обозначением признака объекта в виде знака или группы знаков в соответствии с принятой системой кодирования.

Шифрование -- преобразование информации в целях сокрытия от неавторизованных лиц. Важной особенностью любого алгоритма шифрования является использование ключа, который утверждает выбор конкретного преобразования из совокупности возможных для данного алгоритма.

Шифр Цезаря -- один из древнейших шифров. При шифровании каждый символ заменяется другим, отстоящим от него в алфавите на фиксированное число позиций. Шифр Цезаря можно классифицировать как шифр подстановки, при более узкой классификации -- шифр простой замены. Шифр назван в честь римского императора Гая Юлия Цезаря, использовавшего его для секретной переписки. Цезарь применял следующий алгоритм, для шифрования своих посланий он брал первую букву открытого текста и сдвигал ее на 3 позиции вперед в алфавите, таким образом, получал букву шифр алфавита. Для работы такой системы требуется, чтобы отправитель и получатель согласовали используемый ключ перед началом безопасной передачи сообщения (имели защищенный канал для передачи ключа).

Тема: Разработка программы шифрования методом Цезаря.

Условие задачи: Написать программу, которая позволяет зашифровывать и расшифровывать с помощью «шифра Цезаря» сообщение, написанное на русском языке и английском языках. Этот шифр реализует следующее преобразование текста: каждая буква исходного текста заменяется по установленному ключу после нее буквой в алфавите, который считается написанным по кругу.

1.2 Описание средств разработки

Объектно-ориентированное программирование (сокращенно ООП) -- это совершенно новый подход к построению сложных (и не очень сложных) программ и систем. Этот подход зародился в таких языках программирования, как Ада, Smalltalk, С++, Borland Pascal.

В объектно-ориентированном программировании и проектировании главной, отправной точкой является не процедура, не действие, а объект. Взаимодействие пользователя с компьютерной программой -- это взаимодействие двух объектов -- программы и человека, которые обмениваются друг с другом определенными сообщениями.

Прикладная программа построенная по принципам объектной ориентации -- это не последовательность каких-то операторов, не некий жесткий алгоритм. Объектно-ориентрованная программа -- это совокупность объектов и способов их взаимодействия.

Отдельным объектом при таком подходе во многих случаях можно считать пользователя программы. Обмен между объектами происходит посредством сообщений.

Язык C# является объектно-ориентированным языком, но поддерживает также и компонентно-ориентированное программирование. Разработка современных приложений все больше тяготеет к созданию программных компонентов в форме автономных и самоописательных пакетов, реализующих отдельные функциональные возможности. Важная особенность таких компонентов -- это модель программирования на основе свойств, методов и событий. Каждый компонент имеет атрибуты, предоставляющие декларативные сведения о компоненте, а также встроенные элементы документации. C# предоставляет языковые конструкции, непосредственно поддерживающие такую концепцию работы. Благодаря этому C# отлично подходит для создания и применения программных компонентов.

Функций языка C#, обеспечивающих надежность и устойчивость приложений: сборка мусора автоматически освобождает память, занятую уничтоженными и неиспользуемыми объектами; обработка исключений предоставляет структурированный и расширяемый способ выявлять и обрабатывать ошибки; строгая типизация языка не позволяет обращаться к неинициализированным переменным, выходить за пределы индексируемых массивов или выполнять неконтролируемое приведение типов.

Инструментарий C# позволяет решать широкий круг задач, язык действительно очень мощный и универсальный. На нем разрабатывают:

· приложения для WEB;

· различные игровые программы;

· приложения платформ Андроид или iOS;

· Программы для Windows.

Согласно заданию необходимо написать программу "Шифр Цезаря"

Использование программного средства С#, для написания программы обусловлено тем, что оно имеет дружественный интерфейс и обладает возможностью размещения меню и окна в порядке, удобном для пользователя. C# на протяжении долгого времени уверенно лидирует в рейтинге лучших и наиболее востребованных на рынке разработки языков. Сначала им заинтересовались только разработчики, которые пишут приложения под Windows. Но в процессе развития C# «научился» работать на Mac, Linux, IoS и Android. А после того, как код платформы открыли для всех желающих, были сняты практически все возможные ограничения в применении C#. В результате язык активно развивается, применяется все шире. Рекомендован к изучению в качестве одного из базовых для разработчиков любого профиля.

1.3 Проект программного обеспечения

Приложение «Шифр Цезаря» написано для ОС Windows. Его интерфейс соответствует требованиям, которые предъявляются к графическому интерфейсу пользователя.

После запуска приложения «Шифр Цезаря» открывается окно, внешний вид которого интуитивно понятен пользователю состоит из трех текстовых полей.

В поле ввода необходимо набрать текст, который требуется зашифровать, рисунок 1. После чего нажать кнопку «Кодировать».

Рисунок 1- Поле ввода текста

Результатом работы программы будет зашифрованный текст, изображенный на рисунке 6. Знаки препинания не кодируются, а остаются в первоначальном виде.

Закодированный текст можно расшифровать. Для этого необходимо нажать кнопку «Декодировать», расположенную в верхней части окна на панели инструментов.

Программой предусмотрено шифрование не только букв русского алфавита, но и английского алфавита, а также числа и знаки препинания. Разработанное программу можно представить в виде блок-схемы (рисунок 1).



Алгоритм работы программы

Рисунок 2 - Алгоритм работы программы

Описание блоков алгоритма работы программы "Шифр Цезаря" , показанном на рисунке 1:

1. Начало работы программы;

2. Запуск программы, загрузка окна;

3. Пользователь вводит исходные данные для кодирования;

4. Установление ключа, устанавливается число смещения для кодирования буквы, символа, цифры;

5. В текстовом поле выводится закодированные данные.

6. В текстовом поле выводится декодированные данные;

7. Закрытие программы.



2 Практическая часть

2.1 Техническое задание

Разработанное приложение представляет собой программу шифрования и дешифрования текстовых сообщений с помощью "шифра Цезаря", то есть "Шифр Цезаря".

Основания для разработки: является выданное индивидуальное задание на курсовую работу.

Назначение разработки: визуальное отображение шифрования текстовых сообщений методом шифра Цезаря.

Цели и задачи проведения работы:

Целью курсовой работы является реализация с помощью языка программирования приложение "Шифр Цезаря", которое шифрует и дешифрует текстовые сообщения по заданному ключу.

Задачи:

- изучить теоретический материал метода шифрования Цезаря;

- изучить техническую литературу по созданию Windows приложений на объектно-ориентированном языке программирования C#.

- определить внешний вид приложения "Шифр Цезаря;

- реализация проекта на языке программирования;

- оформление технической документации курсовой работы.

Технический состав разработки:

Таблица 1

Параметры ПК

Наименование	Значение параметров
1.Тип используемого ПК	Процессор Intel Core i3-3240 CPU @ 3.40 GHz
2. ОЗУ	6000 Гб
2.Тип ОС	Windows 7
3.Память на диске	1000Гб
5.Инструментальное ПО	Microsoft Word 2013 (текстовый редактор), Microsoft Excel 2013 (работа с таблицами и некоторыми расчетами в них), Visual Studio 2017, NET Framework 4.6.1

Технические требования к разработке.

- требования к функциональным характеристикам:

Разработанное приложение должно удовлетворять следующим требованиям: удобный и интуитивно понятный интерфейс, реализованный с помощью объектно-ориентированного языка программирования.

- требования к надежности:

Разработка должна удовлетворять следующим требованиям надежности: отказоуcтойчивоcть.

Требования к документации:

Состав программной документации должен соответствовать требованиям ЕСПД (ЕСКД):

- спецификация;

- описание программы;

- руководство программиста;

- руководство оператора;

- программа и методика испытаний.

Обозначение программных продуктов должно соответствовать обозначению на рисунке 3.

Рисунок 3 - Обозначение программных документов

Кодировка программных документов должна cоответcтвовать кодировке в таблице 2.

Таблица 2.

Коды программных документов

Код документа	Вид документа
- 12 13 33 34 51 90-99	Спецификация Текст программы Описание программы Руководство программиста Руководство оператора Программа и методика испытаний Техническое задание

Особые условия и требования к разработке: отсутствуют.

2.2 Спецификация

643. 28 378.02

Таблица 3.

Спецификация

Обозначение	Наименование	Примечание
	Документация
643. 28 378.02.13-01.01	Описание программы
643. 28 378.02.34-02.01	Руководство оператора
643. 28 378.02.33-03.01	Руководство программиста

2.3 Описание программы

643. 28 378.02.13-01.01

Приложение "Шифр Цезаря" представляет собой программу, которая предназначена для шифрования и дешифрования текстовых сообщений.

Программа "Шифр Цезаря" состоит из программного файла (файла проекта) шифр Цезаря.sln и входящий в ее состав файлы классов:

- в файле Cezar.cs создан набор новых классов с описанием алфавита английских, русских букв, а так же цифр и символов;

- в файле Class1.cs реализуется программный код задания ключа и смещения букв.

При разработке программы использовался объектно- ориентированный язык программирования С#.

Программа "Шифр Цезаря" предназначена для использования под управлением ОC Windows7/8/8.1/10.

Для корректной работы на компьютере должен быть установлен NET Framework 4.6.1.

2.4 Руководство программиста

643. 28 378.02.33-03.01

Программа "Шифр Цезаря" предназначена для пользователя которому необходимо осуществить шифрование и дешифрование текстовых сообщений методом шифра Цезаря.

Язык разработки: С#;

Среда разработки: Visual Studio;

Программная cовмеcтимоcть: Windows7/8/8.1/10;

Для стабильного функционирования программы необходимо наличие персонального компьютера, имеющее следующие минимальные характеристики:

- процессор с тактовой частотой не менее 1.7 Ггц (рекомендуемая тактовая частота - 2.5 Ггц);

- жесткий диск не менее 200 Мб;

- оперативная память не менее 2000 Гбайт;

- не менее 4 Мбайт свободного пространства на диске после установки всех программ;

- наличие USB - порта;

- наличие дисковода или другого сменного носителя данных;

- рабочее разрешение экрана 1024x768 точек, 32 bit;

- монитор;

- клавиатура;

- мышь;

Для запуска программы необходимо:

­ скопировать папку "шифр Цезаря" на компьютер;

­ запустить программу, с помощью файла шифр_Цезаря.exe расположенного по указанному пути С:\шифр Цезаря\шифр Цезаря\bin\Debug;

2.5 Руководство оператора

643. 28 378.02.34-02.01

- Назначение программы:

Данная программа "Шифр Цезаря" предназначена для осуществления шифрования и дешифрования текстовых сообщений методом шифра Цезаря.

- Условия выполнения программы:

Необходимо запустить шифр_Цезаря.exe .

- Выполнение программы:

После запуска приложения откроется окно программы рисунок 4., в котором предлагается ввести ключ (то есть указать число смещения цифр и букв), затем необходимо ввести в текстовое поле, какое либо сообщение, состоящее из русских и английских слов, а также допустимо применять цифры и символы.

Рисунок 4 - Окно программы

Для того чтобы программа выполнила шифрование текста необходимо нажать на кнопку «Кодировать», при этом зашифрованное сообщение отобразится в нижнем текстовом поле.

Что бы проверить или произвести дешифрование полученного сообщения, нужно нажать на кнопку «ДЕкодировать», в третьем текстовом окне отобразится расшифрованное сообщение.

Завершить работу с программой, можно нажав кнопку "Закрыть", расположенную в верхнем правом углу программы, рисунок 5.

Рисунок 5 - Кнопка "Закрыть"

2.6 Описание контрольного примера

- Назначение:

Проверка корректной работы программы.

- исходные данные:

текстовые поля пусты.

- результаты:

Результат выполнения введенного текстового сообщения и его шифрование представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 - Результат ввода и кодирования данных

Нажав на кнопку "Декодировать" осуществляется обратный процесс кодирования текстового сообщения по установленному ключу, результат изображен на рисунке 7.

Рисунок 7 - Результат декодирования данных

Заключение

В результате выполнения работы было изучен и систематизирован теоретический материал в области криптографии, разработано программная реализация в виде приложения для Windows, которое реализует процесс шифрования и дешифрования текстовых сообщений как на русском так и на английском языках методом шифрования Цезаря. Основным методом, использованным при решении задачи, был метод перебора.

Данная курсовая работа была выполнена в соответствии поставленной задачи и реализована в программное решение в среде Visual Studio 2017 и языка программирования Visual С#.

Интерфейс программы "шифр Цезаря" достаточно прост и интуитивно понятен. По результату проведения контрольного примера программы ошибок в работе программы не обнаружено.

Таким образом, цель курсовой работы реализована в полной мере, поставленные задачи выполнены.



Список использованных источников

1. Казанский А.А., Программирование на Visual C# 2013: учеб.пособие для СПО/ А.А.Казанский.- М.: Издательство Юрайт, 2018.-191с. - Серия: Профессиональное образование.

2. Крамаров С.О., Митясова О.Ю., Соколов С.В., Криптографическая защита информации : учеб. пособие -- Москва : РИОР : ИНФРА-М, 2018. -- 321 с. -- (Высшее образование). -- DOI: https://doi.org/10.12737/1716-6. - ISBN 978-5-16-106001-8. - Текст : электронный. - URL: https://new.znanium.com/catalog/product/901659 (дата обращения: 05.03.2020)

3. Кувшинов Д.Р., Основы программирования: учеб. пособие для СПО/Д.Р. Кувшинов.- М.: Издательство Юрайт,2018; Екатеринбург: Изд-во Урал. Ун-та.-105 с.- (Серия: профессиональное образование).

4. Кущ Т. А. Электронные учебные пособия [Электронный ресурс] //[сайт] Разработка электронного пособия/ URL: https://sites.google.com/site/razrabotkaelektronnogoposobia/home (дата обращения: 15.01.2020).

5. Медведев М.А., Программирование на СИ#: Учебное пособие / Медведев А.Н., - 2-е изд., стер. - М.:Флинта, Изд-во Урал. ун-та, 2017. - 64 с. ISBN 978-5-9765-3169-7 - URL: http://znanium.com/catalog/product/948428 (дата обращения: 19.01.2020).

6. Митина, О.А. Программирование [Электронный ресурс]. Методические рекомендации / Т.Л. Борзунова. - М.: Альтаир-МГАВТ. - 2015. - 64 с. - URL: http://znanium.com/catalog.php?bookinfo=537931 (дата обращения: 9.02.2020).

7. Романьков, В. А. Введение в криптографию. Курс лекций / В.А. Романьков. -- 2-е изд., испр. и доп. -- Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2017. -- 240 с. -- (Высшее образование). - ISBN 978-5-16-105918-0. - Текст : электронный. - URL: https://new.znanium.com/catalog/product/914480 (дата обращения: 05.03.2020)

8. Семакин И.Г., Шестаков А.П. Основы алгоритмизации и программирования. Практикум: учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования - 3-е изд., стер.- М.: Издательский центр Академия , 2015.- 144с.

9. Теньковская Т. С. Разработка электронного учебного пособия «Компьютерные сети» // Молодой ученый. -- 2015. -- №22. -- С. 191-194. -- URL https://moluch.ru/archive/102/23371/ (дата обращения: 10.02.2020).

10. Шакин Виктор Николаевич Объектно-ориентированное программирование на Visual Basic в среде Visual Studio .NET [Электронный ресурс]: учеб. пособие / В.Н. Шакин, А.В. Загвоздкина, Г.К. Сосновиков. -- М. : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2018. -- 398 с. -- (Среднее профессиональное образование). URL http://znanium.com/bookread2.php?book=961516 (дата обращения: 20.02.2020).



Приложение А

Листинг программы

using System;

using System.Collections.Generic;

using System.ComponentModel;

using System.Data;

using System.Drawing;

using System.Linq;

using System.Text;

using System.Threading.Tasks;

using System.Windows.Forms;

namespace шифр_Цезаря

{

public partial class Form1 : Form

{

Cezar Me = new Cezar();

public Form1()

{

InitializeComponent();

}

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)

{

textBox2.Text = Me.Codeс(textBox1.Text, (int)numericUpDown1.Value);

}

private void button2_Click(object sender, EventArgs e)

{

textBox3.Text = Me.Codeс(textBox2.Text, -(int)numericUpDown1.Value);

}

private void label4_Click(object sender, EventArgs e)

{

}

private void groupBox1_Enter(object sender, EventArgs e)

{

}

}

}

Код класса Cezar

class Cezar : System.Collections.Generic.List<Class1>

{

public Cezar()

{ //в конструкторе формирую коллекцию лент

this.Add(new Class1("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"));

this.Add(new Class1("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ"));

this.Add(new Class1("абвгдеёжзийклмнопрстуфхцчшщъыьэюя"));

this.Add(new Class1("АБВГДЕЁЖЗИЙКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЪЫЬЭЮЯ"));

this.Add(new Class1("0123456789"));

this.Add(new Class1("!\"#$%^&*()+=-_'?.,|/`~№:;@[]{}"));

}

public string Codeс(string m, int key) //кодирование и декодирование в зависимости от знака ключа

{

string res = "", tmp = "";

for (int i = 0; i < m.Length; i++)

{

foreach (Class1 v in this)

{

tmp = v.Repl(m.Substring(i, 1), key);

if (tmp != "") //нужная лента найдена, замена символу определена

{

res += tmp;

break; // прерывается foreach (перебор лент)

}

}

if (tmp == "") res += m.Substring(i, 1); //незнакомый символ оставляю без изменений

}

return res;

}

}

class Class1

{

string le;

Код класса Class1

public Class1(string m)

{

le = m;

}

public string Repl(string m, int key) //замена символа m на символ со смещением

{

int pos = le.IndexOf(m);

if (pos == -1) return ""; //символ в этой ленте не найден

pos = (pos + key) % le.Length; //если смещение больше одного круга

if (pos < 0) pos += le.Length;

return le.Substring(pos, 1);

}

}

...