安全基础学习-RC4加密算法

这里仅仅记录一些基础的概念。后期有需求进一步扩展。

RC4 是一种对称流加密算法，由罗恩·里维斯特（Ron Rivest）于1987年设计。RC4 的设计目的是提供一种简单且高效的加密方法。尽管 RC4 曾经广泛使用，但它的安全性在现代已受到质疑。

1、基本概念

• 对称加密：RC4 使用相同的密钥进行加密和解密。
• 流加密：RC4 将明文逐字节地与伪随机生成的字节流进行异或操作来生成密文。

2、工作流程

2.1密钥调度算法 (Key Scheduling Algorithm, KSA)：

• 初始化一个长度为256的数组 S，数组的元素为0到255。S[i] = i
• 使用密钥对数组 S 进行打乱。密钥可以是任意长度的字节串。
• 打乱过程涉及到遍历 S 数组，并根据密钥对 S 进行交换操作。

2.2 伪随机数生成算法 (Pseudo-Random Generation Algorithm, PRGA)：

• 从初始化后的 S 数组生成伪随机字节流。
• 生成的伪随机流用于与明文进行异或操作，从而生成密文。

3、详细步骤

3.1 密钥调度算法 (KSA)：

• 初始化数组 S：

  S[i] = i (for i = 0 to 255)
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• 初始化变量 j = 0。
• 对数组 S 进行打乱：

  for i = 0 to 255
      j = (j + S[i] + K[i % 密钥长度]) % 256
      swap S[i] with S[j]
    ```
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3.2 伪随机数生成算法 (PRGA)：

• 初始化变量 i = 0 和 j = 0。
• 生成伪随机字节流：

  i = (i + 1) % 256
  j = (j + S[i]) % 256
  swap S[i] with S[j]
  K = S[(S[i] + S[j]) % 256]
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• 使用 K 对明文进行异或操作生成密文。

3.4 加密与解密

加密和解密过程使用相同的步骤，因为 RC4 是对称加密算法。通过伪随机字节流的异或操作，明文可以加密成密文，密文可以解密回明文。

示例

假设密钥是 0x01 0x02 0x03 0x04，明文是 0x10 0x20 0x30：

1. 使用密钥初始化数组 S。
2. 生成伪随机字节流，例如 0xAB 0xCD 0xEF。
3. 明文与伪随机字节流异或，得到密文 0xA9 0xED 0xDF。
4. 通过相同的伪随机字节流，密文 0xA9 0xED 0xDF 经过异或操作恢复明文 0x10 0x20 0x30。

4、总结

• 密钥调度算法 (KSA)：用密钥打乱一个初始数组。
• 伪随机数生成算法 (PRGA)：使用打乱后的数组生成伪随机字节流。
• 加密/解密：将明文与伪随机字节流异或生成密文，反过来也是一样的。

RC4因其简单性和高效性被广泛使用，但其安全性在现代已经不再被推荐，尤其是当密钥长度不足或者使用不当时，可能会导致加密被破解。

5、python实现

def rc4_ksa(key):
    """密钥调度算法 (Key Scheduling Algorithm, KSA)"""
    key_length = len(key)
    S = list(range(256))
    j = 0
    
    for i in range(256):
        j = (j + S[i] + key[i % key_length]) % 256
        S[i], S[j] = S[j], S[i]  # 交换 S[i] 和 S[j]
    
    return S

def rc4_prga(S, data_length):
    """伪随机数生成算法 (Pseudo-Random Generation Algorithm, PRGA)"""
    i = 0
    j = 0
    key_stream = []
    
    for _ in range(data_length):
        i = (i + 1) % 256
        j = (j + S[i]) % 256
        S[i], S[j] = S[j], S[i]  # 交换 S[i] 和 S[j]
        K = S[(S[i] + S[j]) % 256]
        key_stream.append(K)
    
    return key_stream

def rc4_encrypt_decrypt(key, data):
    """RC4 加密和解密"""
    S = rc4_ksa(key)
    key_stream = rc4_prga(S, len(data))
    return bytes([data[i] ^ key_stream[i] for i in range(len(data))])

# 示例用法
if __name__ == "__main__":
    key = bytes([1, 2, 3, 4])  # 密钥
    plaintext = bytes([16, 32, 48])  # 明文

    # 加密
    ciphertext = rc4_encrypt_decrypt(key, plaintext)
    print("Ciphertext:", ciphertext)

    # 解密
    decrypted_plaintext = rc4_encrypt_decrypt(key, ciphertext)
    print("Decrypted Plaintext:", decrypted_plaintext)

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参考资料

参考链接1