الگوریتم SDES در C# — پروژه آموزشی برای درک رمزنگاری پایه

در دنیای امروز که امنیت اطلاعات در فضای دیجیتال اهمیت بالایی پیدا کرده، آشنایی با مفاهیم رمزنگاری، به‌ویژه رمزنگاری ساده و پایه، یکی از نیازهای اساسی برنامه‌نویسان و دانشجویان علوم کامپیوتر به شمار می‌رود. یکی از الگوریتم‌های آموزشی پرکاربرد در این حوزه، الگوریتم SDES در C# است که نسخه‌ای ساده‌شده از الگوریتم DES می‌باشد.

الگوریتم SDES (Simplified DES) نه‌تنها برای درک مفاهیم پایه رمزنگاری بسیار مناسب است، بلکه با پیاده‌سازی آن در زبان‌هایی مانند سی‌شارپ، می‌توان به‌صورت عملی با فرآیند رمزنگاری و رمزگشایی اطلاعات آشنا شد. در این مقاله، به معرفی الگوریتم SDES، نحوه عملکرد آن در سی‌شارپ، و معرفی پروژه‌ای کاربردی جهت آموزش این الگوریتم خواهیم پرداخت.

معرفی الگوریتم SDES

الگوریتم (Simplified DES) SDES نسخه ساده‌شده‌ای از الگوریتم استاندارد رمزگذاری داده‌ها (DES) است. این الگوریتم توسط پروفسور ادوارد شفر از دانشگاه سانتا کلارا طراحی شده تا بتواند مفاهیم رمزنگاری بلوکی و الگوریتم‌های کلید متقارن را به‌صورت ساده‌تری آموزش دهد.

برخلاف DES که از کلید ۵۶ بیتی استفاده می‌کند، SDES از یک کلید ۱۰ بیتی باینری بهره می‌گیرد. همین سادگی در ساختار باعث می‌شود که الگوریتم SDES برای آموزش و پیاده‌سازی در پروژه‌های دانشجویی و تمرینات رمزنگاری ایده‌آل باشد.

رمزنگاری ساده چگونه کار می‌کند؟

رمزنگاری ساده یا همان Simplified Encryption، روشی آموزشی است که اصول رمزنگاری پیچیده را با داده‌هایی کوچک‌تر و فرآیندی قابل‌درک‌تر اجرا می‌کند. در SDES، داده‌ها در بلوک‌های ۸ بیتی رمزگذاری می‌شوند و مراحل کلیدی آن شامل موارد زیر است:

1. تولید کلیدهای فرعی: از کلید ۱۰ بیتی، دو کلید ۸ بیتی به‌نام K1 و K2 استخراج می‌شوند.
2. جایگشت اولیه (IP): ترتیب بیت‌ها به‌صورت اولیه جابه‌جا می‌شود.
3. عملیات fK: شامل جابجایی‌ها، بسط، ترکیب با کلید فرعی، و استفاده از جداول S-Box.
4. تعویض دو نیمه بلوک (SW): دو نیمه داده جابه‌جا می‌شوند.
5. اعمال مجدد fK: این بار با کلید دوم.
6. جایگشت نهایی (IP⁻¹): بازگرداندن به ترتیب اولیه با جابجایی معکوس.

پروژه الگوریتم SDES در C#

در این بخش، پروژه‌ای با زبان #C معرفی می‌شود که الگوریتم SDES در سی شارپ را پیاده‌سازی می‌کند. این الگوریتم یک نسخه ساده‌شده از الگوریتم استاندارد DES محسوب می‌شود که هدف آن، آموزش مفاهیم اولیه رمزنگاری و درک ساختار الگوریتم‌های متقارن مانند DES و AES است. پروژه علاوه‌بر کدنویسی کامل، شامل یک گزارش فنی نیز هست که منطق پیاده‌سازی و ساختار کد را به‌خوبی تشریح می‌کند.

امکانات پروژه

پروژه حاضر امکانات زیر را برای رمزگذاری و رمزگشایی متن فراهم می‌کند:

• دریافت ورودی از فایل متنی (txt.) یا مستقیماً از کاربر
• پذیرش کلید باینری ۱۰ بیتی از طریق ورودی کاربر برای تولید کلیدهای فرعی
• رمزنگاری (Encryption) متن با استفاده از الگوریتم SDES
• رمزگشایی (Decryption) متن رمزگذاری‌شده برای بازگشت به متن اولیه
• نمایش گرافیکی یا متنی نتایج رمزگذاری و رمزگشایی

عملکرد پروژه با مثال

فرض کنید ورودی برنامه به‌صورت زیر است:

• متن ساده: HELLO
• کلید ۱۰ بیتی: 1010000010

مراحل رمزنگاری

1. تبدیل متن به باینری: هر کاراکتر ابتدا به کد ASCII و سپس به رشته باینری ۸ بیتی تبدیل می‌شود. H → ASCII: 72 → Binary: 01001000
2. جایگشت اولیه (Initial Permutation): الگوریتم یک جایگشت مشخص روی بیت‌ها اعمال می‌کند تا داده اولیه برای پردازش آماده شود.
3. اعمال کلیدهای فرعی (Subkeys): کلید ۱۰ بیتی وارد کلاس KeyGenerator شده و دو کلید فرعی K1 و K2 تولید می‌شود. این کلیدها در مراحل مختلف رمزنگاری استفاده می‌شوند.
4. رمزنگاری با استفاده از دو مرحله تابع fk: در مرحله اول داده با K1 پردازش می‌شود، سپس سوییچ بین دو نیمه داده و در مرحله دوم داده با K2 پردازش می‌شود.
5. جایگشت نهایی (Inverse IP): در پایان با اعمال جایگشت معکوس، نتیجه نهایی رمزگذاری‌شده به‌دست می‌آید. خروجی برای H ممکن است ۱۱۰۱۰۰۱۱ باشد
6. ذخیره خروجی یا نمایش آن: کاربر می‌تواند نتیجه را مشاهده یا در فایل خروجی ذخیره کند.

الگوریتم رمزگشایی

در فرآیند الگوریتم رمزگشایی، دقیقا همان مراحل با ترتیب معکوس و با کلیدها به صورت وارونه انجام می‌شود:

• استفاده از همان K1 و K2 به‌صورت معکوس
• اعمال مراحل مشابه رمزنگاری اما با کلید معکوس
• بازیابی داده اولیه به شکل کامل

🔗 مشاهده و دانلود پروژه الگوریتم رمزگذاری و رمزگشایی SDES در سی شارپ

ساختار کد و تحلیل کلاس‌ها

کدنویسی پروژه به‌صورت ماژولار و قابل توسعه طراحی شده است. کد به بخش‌های مختلف تقسیم شده تا هم قابل درک باشد و هم قابل نگهداری و توسعه در آینده:

۱. KeyGenerator: این کلاس وظیفه دارد از یک کلید باینری ۱۰ بیتی، دو کلید فرعی ۸ بیتی (K1 و K2) تولید کند. مراحل شامل:

• انجام چرخش‌های دایره‌ای (left shift)
• اعمال جایگشت‌های مشخص (P10، P8)

۲. Encryptor: کلاس مسئول عملیات رمزنگاری. این کلاس:

• متن را به باینری تبدیل می‌کند
• الگوریتم SDES را طبق ترتیب گفته‌شده اجرا می‌کند
• خروجی باینری نهایی را برمی‌گرداند

۳. Decryptor: کلاس معکوس‌کننده عملیات رمزنگاری. این کلاس نیز:

• داده رمزگذاری‌شده را گرفته
• با همان کلید، اما کلیدهای فرعی معکوس، آن را بازمی‌گرداند
• متن اولیه را نمایش می‌دهد

کاربردهای آموزشی SDES

استفاده از sdes در سی شارپ، به‌ویژه برای موارد آموزشی، مزایای متعددی دارد:

• آموزشی بودن: مناسب برای درک اولیه الگوریتم‌های رمزنگاری
• ساختار واضح و قابل توسعه: پایه‌ای برای گسترش به DES، AES و الگوریتم‌های پیشرفته‌تر
• استفاده از کلاس‌بندی صحیح در C#
• مناسب برای دانشجویان دروس امنیت اطلاعات، رمزنگاری، یا پروژه پایانی

این پروژه، نمونه‌ای ساده و آموزنده از رمزنگاری متقارن با زبان C# است که الگوریتم SDES را به‌صورت کامل پیاده‌سازی می‌کند. استفاده از کلاس‌های مجزا برای تولید کلید، رمزنگاری و رمزگشایی، کد را خوانا و توسعه‌پذیر کرده است. اگر به‌دنبال یادگیری عملی رمزنگاری هستید یا قصد توسعه پروژه‌های پیشرفته‌تر مانند DES، AES یا رمزنگاری RSA را دارید، این پروژه نقطه شروع بسیار خوبی خواهد بود.

مزایا و معایب الگوریتم SDES

الگوریتم SDES (Simplified DES) همان‌طور که از نامش پیداست، نسخه‌ای ساده‌شده از الگوریتم DES است. این الگوریتم با وجود سادگی، ساختار و منطق اصلی رمزنگاری‌های متقارن را در خود دارد. در ادامه به مزایا و معایب آن می‌پردازیم:

مزایای SDES

• سادگی و قابل‌فهم بودن: ساختار الگوریتم به‌گونه‌ای طراحی شده که درک آن برای دانشجویان و علاقه‌مندان به امنیت اطلاعات آسان باشد.
• آموزشی بودن: الگوریتمی ایده‌آل برای آموزش مفاهیم پایه‌ای رمزنگاری مانند جایگشت، کلیدگذاری، تابع fk و ساختار Feistel.
• قابل‌پیاده‌سازی در زبان‌های مختلف: از جمله C#، Python، Java و… بدون نیاز به کتابخانه‌های پیچیده.
• پایه‌ای برای الگوریتم‌های پیشرفته‌تر: دانش اولیه درباره SDES، درک بهتری از الگوریتم‌های DES، AES و حتی RSA فراهم می‌کند.
• اجرای سریع روی فایل‌های متنی ساده: بدون نیاز به منابع محاسباتی سنگین یا ساختارهای داده پیچیده.

معایب SDES

• کلید کوتاه و ناامن: طول کلید فقط ۱۰ بیت است که به‌راحتی قابل حدس زدن یا جستجوی کامل (brute-force) است.
• فاقد امنیت صنعتی: به‌هیچ‌وجه مناسب استفاده در سامانه‌های واقعی یا انتقال اطلاعات حساس نیست.
• مقاومت پایین در برابر حملات: فاقد محافظت در برابر حملاتی مانند تحلیلی، آماری یا brute-force.
• صرفاً جنبه آموزشی دارد: در عمل جایگاهی در حوزه رمزنگاری کاربردی یا تجاری ندارد.

چرا باید از SDES در پروژه‌های دانشگاهی استفاده کرد؟

الگوریتم SDES در C# یک انتخاب هوشمندانه برای دانشجویانی است که می‌خواهند مفاهیم رمزنگاری را به‌صورت عملی یاد بگیرند. برخلاف الگوریتم‌های پیشرفته که نیاز به منابع زیاد و درک پیچیده دارند، SDES قابلیت اجرا روی فایل‌های ساده متنی را دارد و می‌تواند پایه‌ مناسبی برای پروژه‌های رمزنگاری پیشرفته‌تر باشد.

• آموزش عملی رمزنگاری: پیاده‌سازی SDES کمک می‌کند تا مفاهیم کلیدی رمزنگاری متقارن، همچون تولید کلید، جایگشت، سوییچ نیمه‌ها و توابع رمزگذار و رمزگشا به‌صورت ملموس درک شوند.
• عدم نیاز به منابع پیچیده: الگوریتم SDES با استفاده از متغیرهای ساده و توابع مشخص، به‌راحتی در محیط‌هایی مانند Visual Studio و زبان C# قابل اجراست.
• پایه‌ای برای توسعه بیشتر: دانشجویانی که SDES را پیاده‌سازی کرده‌اند، آمادگی بیشتری برای پیاده‌سازی الگوریتم‌های رمزنگاری واقعی مانند DES، AES و Blowfish خواهند داشت.
• امکان تست با فایل‌های متنی واقعی: کار با ورودی/خروجی فایل‌ها باعث می‌شود دانشجویان درک بهتری از تبدیل داده‌ها، کاراکتر به باینری و نحوه پردازش اطلاعات پیدا کنند.
• مناسب برای ارائه و گزارش دانشگاهی: ساختار ساده، خروجی قابل مشاهده و توضیحات منطقی، این پروژه را برای ارائه کلاسی و نگارش گزارش فنی ایده‌آل می‌سازد.

نحوه اجرای پروژه الگوریتم SDES در C#

برای اجرای این پروژه در محیط Visual Studio کافی است مراحل زیر را دنبال کنید:

1. بارگذاری سورس‌کد پروژه: پروژه را با فرمت sln. یا فایل‌های cs. در نرم‌افزار Visual Studio باز کنید.
2. ورود فایل متنی: یک فایل متنی (txt.) حاوی محتوای انگلیسی (مثلاً کلمه یا جمله‌ای ساده مانند HELLO) را انتخاب نمایید. این فایل نقش ورودی متن ساده را ایفا می‌کند.
3. وارد کردن کلید رمزنگاری: کلید باینری ۱۰ بیتی (مثلاً ۱۰۱۰۰۰۰۰۱۰) را به‌صورت دستی در برنامه وارد نمایید. این کلید برای تولید کلیدهای فرعی K1 و K2 استفاده می‌شود.
4. اجرای عملیات رمزگذاری: با فشردن دکمه «رمزنگاری»، الگوریتم SDES روی هر کاراکتر اعمال شده و داده باینری رمزگذاری‌شده نمایش داده می‌شود یا در فایل ذخیره می‌گردد.
5. اجرای الگوریتم رمزگشایی: با کلیک روی دکمه «رمزگشایی»، داده رمزگذاری‌شده مجدداً به متن اصلی تبدیل می‌شود.

نتیجه‌گیری

پروژه الگوریتم SDES در C#، ابزاری مناسب برای آشنایی با مفاهیم رمزنگاری پایه است. این پروژه به کمک زبان سی‌شارپ، فرایند رمزنگاری ساده را شبیه‌سازی کرده و به کاربران کمک می‌کند تا با مفاهیم کلید متقارن، عملیات جایگشتی، و رمزگشایی آشنا شوند. در واقع، sdes در سی شارپ، پلی است میان تئوری و پیاده‌سازی عملی رمزنگاری.

با درک نحوه عملکرد این الگوریتم و بررسی کد مربوط به آن، دانشجویان و علاقه‌مندان به حوزه امنیت اطلاعات می‌توانند گام اول را در مسیر حرفه‌ای شدن در رمزنگاری بردارند. همچنین این پروژه می‌تواند پایه‌ای باشد برای توسعه پروژه‌هایی با امنیت بیشتر و استفاده از الگوریتم‌های قوی‌تری همچون AES و RSA.