Celem naszego projektu była realizacja algorytmu szyfrującego, a następnie deszyfrującego za pomocą UFB (User Function Block). Stworzone w projekcie UFB pozwalają na zaszyfrowanie i odszyfrowanie zmiennej znakowej typu STR256 za pomocą implementacji szyfru Cezara oraz AtBasha. Kod implementujący ten algorytm został napisany w języku ST.

Szyfr AtBash

Szyfr AtBash, to wywodzący się z tradycji żydowskiej szyfr monoalfabetyczny, podstawieniowy.

Prawdopodobnie został on opracowany około roku 500 p.n.e.

Zasada działania:

Zasada jego działanie polega na podstawieniu zamiast jednej litery, litery leżącej po drugiej stronie alfabetu w takiej samej odległości od końca/początku.

Najłatwiej będzie wyjaśnić to na przykładzie:

Za literę `a' powinniśmy podstawić literę `z'. Natomiast za literę `c' literę 3 od końca alfabetu, a wiec literę `x'.

Warto zauważyć, że aby odszyfrować wiadomość należy ją ponownie zaszyfrować.

Otrzymamy tym samym tekst jawny.

Szyfr nie zapewnia bezpieczeństwa.

Szyfr Cezara (zwany też szyfrem przesuwającym, kodem Cezara lub przesunięciem Cezariańskim) - w kryptografii jedna z najprostszych technik szyfrowania. Jest to rodzaj szyfru podstawieniowego, w którym każda litera tekstu jawnego (niezaszyfrowanego) zastępowana jest oddaloną od niej o stałą liczbę pozycji w alfabecie inną literą (szyfr monoalfabetyczny), przy czym kierunek zamiany musi być zachowany. Nie rozróżnia się przy tym liter dużych i małych. Nazwa szyfru pochodzi od Juliusza Cezara, który prawdopodobnie używał tej techniki do komunikacji ze swymi przyjaciółmi.

Algorytm szyfrowania zastosowany w kodzie Cezara bywa fragmentem bardziej złożonych systemów szyfrowania, takich jak szyfr Vigenère'a. Współcześnie szyfru Cezara używa się z przesunięciem 13 (ROT13), będącego prostym i szybkim sposobem na ukrycie treści. Obecnie szyfr Cezara, jak każda technika podmieniająca pojedyncze litery alfabetu na inne, nie oferuje żadnego bezpieczeństwa komunikacji.

User function bloki pozwalają użytkownikowi na stworzenie własnych bloków funkcyjnych rozwiązujących specyficzne zadania. Tworzenie UFB jest możliwe w drzewie projektu pod Function Block Pool P-FB. Każdy UFB jest identyfikowany przez klasę(FB-CLASS), która określa funkcjonalność oraz wygląd bloku. Klasa obejmuje program sterujący bloku składający się z funkcji, bloków funkcyjnych oraz zmiennych, a także faceplate oraz maskę parametrów.

Każda klasa posiada nazwę dzięki której poszczególne bloki mogą być wywoływane z innych programów.

Szyfr AtBash

W zrealizowanym projekcie utworzone została utworzona jedna FB-CLASS: szyfrująca i deszyfrująca o nazwie AtBash. Klasa posiada zdefiniowane w Interface editor zmienne wejściowe oraz wyjściowe oraz odpowiednie programy napisane w języku ST.

Zmienna In jest zmienną wejściową typu STR256 (string 256 znakowy) poddawaną szyfrowaniu. Zmienna Deszyfrowanie jest zmienną typu BOOL, określa zadanie bloku AdBash w danym momencie (szyfrowanie/deszyfrowanie). Zmienna Out jest zmienną wyjściową typu STR256 zawierającą zaszyfrowaną zmienna podaną na wejście.

Rys. Zmienne klasy AtBash

Kod w ST z komentarzami:

Szyfr Cezara :

Pierwszym krokiem jest wyzerowanie zmiennej wyjście, aby nie przechowywała żadnych danych. Kolejny krok to wyznaczenie długości wprowadzonego przez nas tekstu jawnego. Następnie zerujemy zmienną alfabetNowy i wyznaczamy lewą, oraz prawą część alfabetu dzięki funkcji S_LEFT oraz S_RIGHT. Do pierwszej podajemy parametry alfabetu oraz przesunięcia (dzięki czemu wyznaczamy znaki, które mają znajdować się na końcu naszego nowego alfabetu).

Funkcja S_RIGHT pierwszy parametr przyjmuje taki sam jak w przypadku S_LEFT, natomiast drugi to różnica pomiędzy długością alfabetu, a przesunięciem.

Tak powstałe części łączymy przy pomocy funkcji S_CONCAT (parametrami tej funkcji są zmienna alfabetR i alfabetL), którą przypisujemy do zmiennej alfabetNowy. Dzięki temu wyznaczony mamy nowy alfabet z uwzględnieniem przesunięcia o pewien wektor w stosunku do oryginalnego alfabetu.

Kolejnym algorytmem jest przypisanie do zmiennej i wartości 1 i wywołanie pętli while z warunkiem i <= S_LEN(tekst), co pozwoli nam na przejście znak po znaku przez wprowadzony tekst i zamianę go.

Pierwszy krok w pętli jaki musimy wykonać to wyznaczenie pozycji aktualnego znaku z ciągu zmiennej tekst. Do tego celu używamy formuły polecenia S_FIND(alfabet, S_MID(tekst, 1, i)); Funkcja S_FIND pozwala nam w alfabecie odnaleźć odpowiedni znak. Aby ustalić ten znak używamy funkcji S_MID, do której przekazujemy jako pierwszy parametr zmienną tekst, następnie długość ciągu jaki nas interesuje (w naszym przypadku jest to wartość 1, ponieważ potrzebujemy tylko jednej literki), a jako trzeci parametr podajemy zmienną i, która informuje że szukana przez nas litera leży na i-tym miejscu w ciągu. Pozycja szukanej litery przechowywana jest w zmiennej k.

Następnie do zmiennej wyjscie przypisujemy wartość funkcji S_INS. Funkcja ta przyjmuje kolejno następujące parametry: pierwszy z nich to ciąg znaków do którego dodać chcemy kolejne znaki (w naszym przypadku jest to zmienna wyjście), drugi to znak ze zmiennej alfabetNowy, którą wyznaczamy przy pomocy funkcji S_MID. Dzięki podaniu jako 3 parametr zmiennej k otrzymujemy odpowiadający dla naszego przesunięcia znak z nowego alfabetu. Ostatni parametr funkcji S_INS to pozycja, w której wstawiamy dany znak. Chcąc wstawić go na ostatnie miejsce musimy użyć funkcji S_LEN, której jako parametr podajemy zmienną wyjście.

Dzięki tym operacjom otrzymujemy zakodowany tekst przy pomocy kodu Cezara.

Zmienne IN: przesuniecie INT, tekst STR256

Zmienne OUT: wyjście STR256.

PARA_DPS: alfabet STR256: podajemy na inicjalizacji cały alfabet

Funkcja deszyfrująca:

Funkcja deszyfrująca działa w ten sam sposób co funkcja szyfrująca, jedyną różnicą jest zamiana zmiennej alfabet na afabetNowy w funkcji S_FIND, która przypisywana jest do litery k, a druga to zamiana zmiennej alfabetNowy na alfabet w funkcji S_MID używanej jako parametr funkcji S_INS.

Zmienne IN: przesuniecie INT, tekst STR256

Zmienne OUT: wyjście STR256.

PARA_DPS: alfabet STR256: podajemy na inicjalizacji cały alfabet.

Stworzone bloki są dostępne w menu Blocks>User function blocks…

AtBash:

Rys. Działanie bloku szyfrującego i deszyfrującego AtBash

Cezar:

Rys. Działanie bloku szyfrującego i deszyfrującego Cezar

Wnioski

Projekt został wykonany w języku ST w połączeniu z blokami FBD.

Zarówno AtBash jak i Cezar, są przykładami jednych z najprostszych algorytmów szyfrowania/deszyfrowania.

Algorytmy te nie zajmują dużo pamięci, oraz ich wykonanie jest bardzo szybkie.

Nie gwarantują one bezpieczeństwa w komunikacji.

Początkowym celem projektu, było zrealizowanie szyfrowania DES (Data Encryption Standard) , lecz brak czasu oraz umiejętności stworzenia go w języku FBD nie pozwoliły nam na to.

Problemem było wielokrotne i zarazem skomplikowane odwracanie macierzy, które w języku FBD jest trudne do zrealizowania.