RC4加密算法

什么是RC4 ?

RC4加密算法是大名鼎鼎的RSA三人組中的頭號人物Ron Rivest在1987年設計的密鑰長度可變的流加密算法簇，之所以稱其為簇，是由於其核心部分的S-box長度可為任意，但一般為256字節。

 

在密碼學中，RC4（來自Rivest Cipher 4的縮寫）是一種流加密算法，密鑰長度可變。它加解密使用相同的密鑰，因此也屬於對稱加密算法。所謂對稱加密，就是加密和解密的過程是一樣的。RC4是有線等效加密（WEP）中采用的加密算法，也曾經是TLS可采用的算法之一。

 

RC4已經成為一些常用的協議和標准的一部分，如1997年的WEP和2003/2004年無線卡的WPA; 和1995年的SSL，以及后來1999年的TLS。讓它如此廣泛分布和使用的主要因素是它不可思議的簡單和速度，不管是軟件還是硬件，實現起來都十分容易。

基本原理

對明文使用同一個密鑰異或兩次最后得到的是原文

• 加密：原文和Keystream進行異或得到密文
• 解密：密文和Keystream進行異或得到原文

 

 圖片來源：《802.11無線網絡權威指南》 第 5 章 圖5-1 串流密碼鎖的一般運作程序

流程圖解

 

 圖片來源：https://www.biaodianfu.com/rc4.html

生成秘鑰流（KeyStream）

從上圖可以看出來，RC4加密原理很簡單，只需要一個KeyStream與明文進行異或即可，密鑰流的長度和明文的長度是對應的。RC4算法的的主要代碼還是在於如何生成秘鑰流。

密鑰流的生成由兩部分組成：

1. KSA（the Key-Scheduling Algorithm)
2. PRGA(the Pseudo-Random Generation Algorithm)

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

/* 得到S-box */
int i = 0;
for (i = 0; i < 256; i++) {
    S[i] = i;
    T[i] = puc_key[i % key_length];
}

for (i = 0; i < 256; i++) {
    j = (j + S[i] + T[i]) % 256;
    swap_uchar(&S[i], &S[j]); //交換S[i]和S[j]
}

利用S盒生成密鑰流——The pseudo-random generation algorithm(PRGA)

 

 圖片來源：https://www.biaodianfu.com/rc4.html

/* 生成密鑰流 Keystream */
int i = 0;
int j = 0;
int t = 0;
unsigned long k = 0;

for (k = 0; k < ul_data_length; k++) {
    i = (i + 1) % 256;
    j = (j + puc_sbox[i]) % 256;
    swap_uchar(&puc_sbox[i], &puc_sbox[j]);
    t = (puc_sbox[i] + puc_sbox[j]) % 256;
    puc_key_stream[k] = puc_sbox[t];
}

代碼實現

#include<stdio.h>
#include<string.h>

#define SBOX_LEN 256

#define rc4_encrypt rc4_crypt
#define rc4_decrypt rc4_crypt

static inline void swap_uchar(unsigned char *puc_x, unsigned char *puc_y)
{
    *puc_x = *puc_x ^ *puc_y;
    *puc_y = *puc_x ^ *puc_y;
    *puc_x = *puc_x ^ *puc_y;
}

void hexdump(unsigned char *puc_data, int length)
{
    int i = 0;

    for (i = 0; i < length; i++) {
        printf("%02X", puc_data[i]);
        if (i && (i + 1) % 16 == 0) {
            putchar('\n');
        }
    }
    printf("\n");
}

/**
 * 利用Key生成S盒
 * the Key-Scheduling Algorithm
 */
static void rc4_ksa(unsigned char *puc_sbox, unsigned char *puc_key, int key_length)
{
    int i = 0;
    int j = 0;
    char tmp[SBOX_LEN] = {0};

    for (i = 0; i < SBOX_LEN; i++) {
        puc_sbox[i] = i;
        tmp[i] = puc_key[i % key_length];
    }

    for (i = 0; i < SBOX_LEN; i++) {
        j = (j + puc_sbox[i] + tmp[i]) % SBOX_LEN;
        swap_uchar(&puc_sbox[i], &puc_sbox[j]); //交換puc_sbox[i]和puc_sbox[j]
    }
}

/**
 * 利用S盒生成密鑰流
 * The pseudo-random generation algorithm(PRGA)
 */
static void rc4_prga(unsigned char *puc_sbox, unsigned char *puc_key_stream, unsigned long ul_data_length)
{
    int i = 0;
    int j = 0;
    int t = 0;
    unsigned long k = 0;

    for (k = 0; k < ul_data_length; k++) {
        i = (i + 1) % SBOX_LEN;
        j = (j + puc_sbox[i]) % SBOX_LEN;
        swap_uchar(&puc_sbox[i], &puc_sbox[j]);
        t = (puc_sbox[i] + puc_sbox[j]) % SBOX_LEN;
        /* 為了更清晰理解rc4算法流程，此處保存keystream，不直接進行XOR運算 */
        puc_key_stream[k] = puc_sbox[t];
    }
}

/*加解密*/
void rc4_crypt(unsigned char *puc_data, unsigned char *puc_key_stream, unsigned long ul_data_length)
{
    unsigned long i = 0;

    /* 把PRGA算法放在加解密函數中可以不需要保存keystream */
    for (i = 0; i < ul_data_length; i++) {
        puc_data[i] ^= puc_key_stream[i];
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    unsigned char sbox[SBOX_LEN] = {0};
    char key[SBOX_LEN] = {"abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"}; //秘鑰內容隨便定義
    char data[512] = "lsRJ@.0 lvfvr#9527";
    unsigned char puc_keystream[512] = {0};
    unsigned long ul_data_length = strlen(data);

    printf("key=%s, length=%d\n\n", key, strlen(key));
    printf("Raw data string:%s\n", data);
    printf("Raw data hex:\n");
    hexdump(data, ul_data_length);

    /* 生成S-box */
    rc4_ksa(sbox, (unsigned char *)key, strlen(key));

    /* 生成keystream並保存,S-box也會被更改 */
    rc4_prga(sbox, puc_keystream, ul_data_length);

    printf("S-box final status:\n");
    hexdump(sbox, sizeof(sbox));

    printf("key stream:\n");
    hexdump(puc_keystream, ul_data_length);

    /* 加密 */
    rc4_encrypt((unsigned char*)data, puc_keystream, ul_data_length);

    printf("cipher hexdump:\n");
    hexdump(data, ul_data_length);

    /* 解密 */
    rc4_decrypt((unsigned char*)data, puc_keystream, ul_data_length);

    printf("decypt data:%s\n", data);

    return 0;
}

運行示例：

 

 

參考

《802.11無線網絡權威指南》 第5章

百度百科 https://baike.baidu.com/item/RC4

https://www.biaodianfu.com/rc4.html