1.前言

• RC4是一种流加密算法，由Ron Rivest于1987年设计，广泛应用于各种加密协议和标准中
• RC4通过密钥生成一个伪随机数序列，然后将该序列与明文数据进行按位异或（XOR）操作来生成密文
• 解密过程与加密过程相同，通过将密文与相同的伪随机数序列进行按位异或来恢复明文

2.RC4加密算法解析

密钥调度算法（KSA）

伪随机数生成算法（PRGA）

1. 密钥调度算法（KSA）

KSA将输入密钥转换为初始的状态数组 S

1.初始化状态数组 S 和辅助数组 T：

S 是一个长度为 256 的数组，初始化为 [0, 1, 2, …, 255]

T 也是一个长度为 256 的数组（使用密钥对其进行初始化）

2.使用密钥打乱状态数组 S

对于 i 从 0 到 255：

• 计算 j = (j + S[i] + T[i]) % 256
• 交换 S[i] 和S[j]

2. 伪随机数生成算法（PRGA）

PRGA生成密钥流，然后将其与明文进行按位异或

1.初始化索引 i 和 j 为 0

2.对于每个字节的加密流程：

1. 计算 i = (i + 1) % 256
2. 计算 j = (j + S[i]) % 256
3. 交换 S[i]`和 S[j]
4. 生成伪随机字节 K = S[(S[i] + S[j]) % 256]
5. 将伪随机字节 K 与明文字节进行按位异或，生成密文字节

3.加密实现

Python实现

def KSA(key):
    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]  # Swap S[i] and S[j]
​
    return S
​
def PRGA(S):
    i = 0
    j = 0
    while True:
        i = (i + 1) % 256
        j = (j + S[i]) % 256
        S[i], S[j] = S[j], S[i]  # Swap S[i] and S[j]
        K = S[(S[i] + S[j]) % 256]
        yield K
​
def rc4(key, plaintext):
    # 将密钥和明文转换为整数列表
    key = [ord(c) for c in key]
    plaintext = [ord(c) for c in plaintext]
​
    # 使用密钥调度算法 (KSA) 初始化状态数组 S
    S = KSA(key)
    
    # 使用伪随机数生成算法 (PRGA) 生成密钥流
    keystream = PRGA(S)
​
    # 将每个明文字节与伪随机字节进行按位异或，生成密文
    ciphertext = [chr(p ^ next(keystream)) for p in plaintext]
    return ''.join(ciphertext)
​
# 示例使用
key = "Key"
plaintext = "Hello, World!"
ciphertext = rc4(key, plaintext)
print(f"Ciphertext: {ciphertext}")
​
# 解密
decrypted_text = rc4(key, ciphertext)
print(f"Decrypted text: {decrypted_text}")

c语言实现

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
​
// 密钥调度算法 (KSA)
void KSA(const uint8_t *key, size_t key_length, uint8_t *S) {
    uint8_t j = 0;
    for (uint8_t i = 0; i < 256; i++) {
        S[i] = i;  // 初始化状态数组 S 为 [0, 1, 2, ..., 255]
    }
​
    // 打乱状态数组 S
    for (uint8_t i = 0; i < 256; i++) {
        j = (j + S[i] + key[i % key_length]) % 256;  // 计算 j
        // 交换 S[i] 和 S[j]
        uint8_t temp = S[i];
        S[i] = S[j];
        S[j] = temp;
    }
}
​
// 伪随机数生成算法 (PRGA)
void PRGA(const uint8_t *S, size_t data_length, uint8_t *keystream) {
    uint8_t i = 0;
    uint8_t j = 0;
​
    for (size_t k = 0; k < data_length; k++) {
        i = (i + 1) % 256;  // 更新 i
        j = (j + S[i]) % 256;  // 更新 j
        // 交换 S[i] 和 S[j]
        uint8_t temp = S[i];
        S[i] = S[j];
        S[j] = temp;
        // 生成伪随机字节
        keystream[k] = S[(S[i] + S[j]) % 256];
    }
}
​
// RC4 加密/解密函数
void rc4(const uint8_t *key, size_t key_length, const uint8_t *plaintext, size_t plaintext_length, uint8_t *ciphertext) {
    uint8_t S[256];
    KSA(key, key_length, S);  // 执行 KSA 以初始化状态数组 S
​
    uint8_t keystream[plaintext_length];
    PRGA(S, plaintext_length, keystream);  // 执行 PRGA 生成密钥流
​
    // 将明文与密钥流进行按位异或以生成密文
    for (size_t i = 0; i < plaintext_length; i++) {
        ciphertext[i] = plaintext[i] ^ keystream[i];
    }
}
​
int main() {
    // 示例密钥和明文
    const uint8_t key[] = "Key";
    const uint8_t plaintext[] = "Hello, World!";
    size_t key_length = strlen((const char *)key);
    size_t plaintext_length = strlen((const char *)plaintext);
​
    // 为密文分配空间
    uint8_t ciphertext[plaintext_length];
​
    // 执行 RC4 加密
    rc4(key, key_length, plaintext, plaintext_length, ciphertext);
​
    // 打印加密后的密文
    printf("Ciphertext: ");
    for (size_t i = 0; i < plaintext_length; i++) {
        printf("%02X ", ciphertext[i]);  // 打印每个字节的十六进制表示
    }
    printf("\n");
​
    // 解密过程（RC4 的解密与加密相同）
    uint8_t decrypted_text[plaintext_length];
    rc4(key, key_length, ciphertext, plaintext_length, decrypted_text);
​
    // 打印解密后的明文
    printf("Decrypted text: ");
    for (size_t i = 0; i < plaintext_length; i++) {
        printf("%c", decrypted_text[i]);  // 打印每个字节的字符表示
    }
    printf("\n");
​
    return 0;
}

3.RC4解密

1.概述

在RC4中，加密和解密的过程是完全一样的，RC4是一个对称流加密算法

2.rc4解密流程

加密：明文与密钥流进行按位异或，生成密文

解密：密文与密钥流进行按位异或，恢复明文

3.流加密本质

RC4作为一种流加密算法，其本质是生成一个伪随机的密钥流，然后将密钥流与明文进行按位异或以产生密文。解密过程则是将密文与相同的密钥流进行按位异或以恢复明文

4.解密实现

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
​
// 密钥调度算法 (KSA)
void KSA(const uint8_t *key, size_t key_length, uint8_t *S) {
    uint8_t j = 0;
    for (uint8_t i = 0; i < 256; i++) {
        S[i] = i;  // 初始化状态数组 S 为 [0, 1, 2, ..., 255]
    }
​
    // 打乱状态数组 S
    for (uint8_t i = 0; i < 256; i++) {
        j = (j + S[i] + key[i % key_length]) % 256;  // 计算 j
        // 交换 S[i] 和 S[j]
        uint8_t temp = S[i];
        S[i] = S[j];
        S[j] = temp;
    }
}
​
// 伪随机数生成算法 (PRGA)
void PRGA(const uint8_t *S, size_t data_length, uint8_t *keystream) {
    uint8_t i = 0;
    uint8_t j = 0;
​
    for (size_t k = 0; k < data_length; k++) {
        i = (i + 1) % 256;  // 更新 i
        j = (j + S[i]) % 256;  // 更新 j
        // 交换 S[i] 和 S[j]
        uint8_t temp = S[i];
        S[i] = S[j];
        S[j] = temp;
        // 生成伪随机字节
        keystream[k] = S[(S[i] + S[j]) % 256];
    }
}
​
// RC4 加密/解密函数
void rc4(const uint8_t *key, size_t key_length, const uint8_t *input, size_t input_length, uint8_t *output) {
    uint8_t S[256];
    KSA(key, key_length, S);  // 执行 KSA 以初始化状态数组 S
​
    uint8_t keystream[input_length];
    PRGA(S, input_length, keystream);  // 执行 PRGA 生成密钥流
​
    // 将输入数据与密钥流进行按位异或以生成输出数据
    for (size_t i = 0; i < input_length; i++) {
        output[i] = input[i] ^ keystream[i];
    }
}
​
int main() {
    // 示例密钥和明文
    const uint8_t key[] = "Key";
    const uint8_t plaintext[] = "Hello, World!";
    size_t key_length = strlen((const char *)key);
    size_t plaintext_length = strlen((const char *)plaintext);
​
    // 为密文分配空间
    uint8_t ciphertext[plaintext_length];
    uint8_t decrypted_text[plaintext_length];
​
    // 执行 RC4 加密
    rc4(key, key_length, plaintext, plaintext_length, ciphertext);
​
    // 打印加密后的密文
    printf("Ciphertext: ");
    for (size_t i = 0; i < plaintext_length; i++) {
        printf("%02X ", ciphertext[i]);  // 打印每个字节的十六进制表示
    }
    printf("\n");
​
    // 执行 RC4 解密（加密和解密过程相同）
    rc4(key, key_length, ciphertext, plaintext_length, decrypted_text);
​
    // 打印解密后的明文
    printf("Decrypted text: ");
    for (size_t i = 0; i < plaintext_length; i++) {
        printf("%c", decrypted_text[i]);  // 打印每个字节的字符表示
    }
    printf("\n");
​
    return 0;
}