RC4是一种广泛使用的流密码,它以其简洁和速度而闻名。区别于块密码,流密码特点在于按位或按字节来进行加密。
RC4由Ron Rivest在1987年设计,尽管它的命名看起来是第四版,实际上它是第一个对外发布的版本。
RC4算法的实施过程简洁明了,主要包括初始化和生成密钥流这两个阶段。
下面我们就一边解析算法,一边分析其代码实现。

初始化

该阶段的核心任务是利用一个可变长度的密钥来初始化一张S盒,即一个包含0至255所有字节的256长度数组。初始化步骤如下:
  • 初始填充S盒,按顺序排列0至255的数值。
  • 使用密钥对S盒进行置换。每个S盒中的元素都会根据密钥中的字节进行一定的交换。这个过程叫做密钥调度算法(KSA)。
说的形象一点就是:在桌子上有256个小盒子(从0到255编号),初始时每个盒子里面的数字和它的编号一样。现在,你开始根据密钥来交换这些盒子里面的数字,直到所有的盒子都被重新排列。
经过多轮置换,这256个数字的顺序就变得无规律。将此与洗牌对比,虽然结果看似随机,实则完全受密钥控制。
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现在,我们来看一下代码实现:
第一个 for 循环里面,就是初始化 S 盒。我们还看到同时也给 K 数组赋值了,这里说明了一个问题,K 的长度大于 256 之后,后面的其实没用,所以我们的密钥不用写太长,除非写一个变种算法。
看第二个循环,j = (j + S[i] + K[i]) % 256; 我们把它看成一个数学表达式 j = f(i),这个表达式最终会生成一个 0-255 之间的一个数字 j,然后将 i 与 j 位置进行交换,这样就扰乱了 S 盒的数字顺序。

操作 (PRGA)

在操作阶段,RC4生成伪随机流,称为密钥流。这个密钥流会与明文按位异或来生成密文。同样,将密钥流与密文按位异或,可以得到原始明文。操作过程如下:
  • 初始化两个指针i和j(都开始于0)。
  • 在每次操作中,i递增1,j加上S盒在i位置的值,并使用新的j值来更新S盒中的元素位置。
  • 选取i和j指向的两个元素,将它们加起来,并根据这个总和得到S盒中的某个元素作为密钥流的一部分。
  • 重复此过程,直到生成了足够长的密钥流,可以与明文进行异或操作。
上面的步骤比较难以理解,但是我们利用数学的思想来看:
首先,定义两个变量 i 与 j,然后给它们赋值,i = f(i), j = f(i, j) ,然后再定义一个变量 key,key = f2(i, j) 。这个key就是根据 S 盒生成的密钥流,只要 S 的顺序固定,那么生成的密钥流就是固定的。有了密钥流,那么我们就可以与明文做异或操作。
看代码:
有的小伙伴可能想得多一点,既然是使用异或做操作,那么加密算法其实就是解密算法!
是的,异或这个东西很神奇, x ^ y ^ y 还是 x。既然加密算法保证了 S 一定的情况下,生成的 key 是一样的,所以解密算法可以直接使用加密算法。

C 实现

总结

RC4的好处是它很简单,很快,在没有密钥的情况下只能使用暴力破解。所以,你的密钥很重要,你得特别小心使用它。
 
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