【密码学】RC4加解密原理及其Java和C实现算法

RC4历史

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RC4由Ras Rivest于1987年由RSA Security设计。当它被正式称为“Rivest Cipher 4”时，RC首字母缩略词被理解为代表“Ron’s Code”。

RC4最初是一个商业秘密，但是在1994年9月，它的描述被匿名地张贴在Cypherpunks邮件列表中。它很快被发布在sci.crypt新闻组，并从那里到互联网上的许多站点。泄漏的代码被证实是真实的，因为它的输出被发现与使用许可的RC4的专有软件相匹配。因为算法是已知的，它不再是商业秘密。名称“RC4”是商标，因此RC4通常被称为“ARCFOUR”或“ARC4”（意为被称为RC4），以避免商标问题。 RSA Security从未正式发布算法;然而，Rivest与英文维基百科的文章有关。在RC4的自己的课程笔记中。RC4已经成为一些常用的加密协议和标准的一部分，包括无线网卡和TLS的WEP和WPA。

RC4在如此广泛的应用领域取得成功的主要因素是速度和简单性：软件和硬件的高效实施非常容易开发。

RC4加密原理

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利用Key生成S盒——The key-scheduling algorithm (KSA)

密钥调度算法用于初始化数组S盒中的置换。

“keylength”被定义为密钥中的字节数，并且可以在1≤keylength≤256的范围内，通常在5和16之间，对应于40到128位的密钥长度。

首先，数组“S”被初始化为i。 然后以类似于PRGA的方式对S进行256次迭代处理，同时也以密钥的字节为单位进行混合。

伪代码如下：

for i from 0 to 255
    S[i] := i
endfor
j := 0
for i from 0 to 255
    j := (j + S[i] + key[i mod keylength]) mod 256
    swap values of S[i] and S[j]
endfor

利用S盒生成密钥流——The pseudo-random generation algorithm(PRGA)

对于需要的迭代次数，PRGA修改状态并输出一个字节的密钥流。

在每次迭代中，PRGA递增i，将i指向的S的值与j相加，交换S [i]和S [j]的值，然后在S [i] + S [j]（模256）。

每256个迭代，S的每个元素至少与另一个元素交换一次。

伪代码如下：

i := 0
j := 0
while GeneratingOutput:
    i := (i + 1) mod 256
    j := (j + S[i]) mod 256
    swap values of S[i] and S[j]
    K := S[(S[i] + S[j]) mod 256]
    output K
endwhile

Java实现RC4算法

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package Practice;

public class RC4 {

    public static void main(String[] args) {
        RC4 rc4 = new RC4();

        String plaintext = "helloworld";
        String key = "key";

        String ciphertext = rc4.encrypt(plaintext, key);
        String decryptText = rc4.encrypt(ciphertext, key);

        System.out.print(
                "明文为：" + plaintext + "\n" + "密钥为：" + key + "\n\n" + "密文为：" + ciphertext + "\n" + "解密为：" + decryptText);
    }

    // 1 加密
    public String encrypt(final String plaintext, final String key) {
        Integer[] S = new Integer[256]; // S盒
        Character[] keySchedul = new Character[plaintext.length()]; // 生成的密钥流
        StringBuffer ciphertext = new StringBuffer();

        ksa(S, key);
        rpga(S, keySchedul, plaintext.length());

        for (int i = 0; i < plaintext.length(); ++i) {
            ciphertext.append((char) (plaintext.charAt(i) ^ keySchedul[i]));
        }

        return ciphertext.toString();
    }

    // 1.1 KSA--密钥调度算法--利用key来对S盒做一个置换，也就是对S盒重新排列
    public void ksa(Integer[] s, String key) {
        for (int i = 0; i < 256; ++i) {
            s[i] = i;
        }

        int j = 0;
        for (int i = 0; i < 256; ++i) {
            j = (j + s[i] + key.charAt(i % key.length())) % 256;
            swap(s, i, j);
        }
    }

    // 1.2 RPGA--伪随机生成算法--利用上面重新排列的S盒来产生任意长度的密钥流
    public void rpga(Integer[] s, Character[] keySchedul, int plaintextLength) {
        int i = 0, j = 0;
        for (int k = 0; k < plaintextLength; ++k) {
            i = (i + 1) % 256;
            j = (j + s[i]) % 256;
            swap(s, i, j);
            keySchedul[k] = (char) (s[(s[i] + s[j]) % 256]).intValue();
        }
    }

    // 1.3 置换
    public void swap(Integer[] s, int i, int j) {
        Integer mTemp = s[i];
        s[i] = s[j];
        s[j] = mTemp;
    }
}

C实现RC4算法

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unsigned char S[256];
unsigned int i, j;

void swap(unsigned char *s, unsigned int i, unsigned int j) {
    unsigned char temp = s[i];
    s[i] = s[j];
    s[j] = temp;
}

/* KSA */
void rc4_init(unsigned char *key, unsigned int key_length) {
    for (i = 0; i < 256; i++)
        S[i] = i;

    for (i = j = 0; i < 256; i++) {
        j = (j + key[i % key_length] + S[i]) & 255;
        swap(S, i, j);
    }

    i = j = 0;
}

/* PRGA */
unsigned char rc4_output() {
    i = (i + 1) & 255;
    j = (j + S[i]) & 255;

    swap(S, i, j);

    return S[(S[i] + S[j]) & 255];
}

#include 

int main() {
    int k, output_length;
    unsigned char key[] = "Secret";     // key hardcoded to "Secret"

    output_length = 10;     // number of bytes of output desired

    rc4_init(key, 6);     // length of key is 6 in this case

    k = 0;
    while (k < output_length) {
      printf("%c", rc4_output());
      k++;
    }
}

运行实例

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明文为：helloworld
密钥为：key

密文为：c   XKø8$/
解密为：helloworld