RC4原理以及Python实现

简介

RC4（来自Rivest Cipher 4的缩写）是一种流加密算法，密钥长度可变。它加解密使用相同的密钥，一个字节一个字节地加密。因此也属于对称加密算法。突出优点是在软件里面很容易实现。

加密流程

包含两个处理过程：一是秘钥调度算法(KSA)，用于之乱S盒的初始排列，另外一个是伪随机数生成算法(PRGA)，用来输出随机序列并修改S的当前顺序。

根据秘钥生成S盒
利用PRGA生成秘钥流
秘钥与明文异或产生密文

单个点拿出来分析

根据秘钥生成S盒

初始化S盒

直接构造一个S[256]，遍历0-255，然后创建临时T[256]，用于存储种子秘钥，长度不够循环填充直到T被填满，根据T[i]将S[i]与S中的另外一个字节对换，对S的操作仅仅是交换，唯一改变的是位置，但里面的元素是没变的还是0-255

    s_box = list(range(256)) #我这里没管秘钥小于256的情况，小于256不断重复填充即可j = 0for i in range(256):j = (j + s_box[i] + ord(key[i % len(key)])) % 256s_box[i], s_box[j] = s_box[j], s_box[i]#print(type(s_box)) #for_testreturn s_box

下图很好的解释了S盒被随机化的过程

利用PRGA生成秘钥流

从S盒选取一个元素输出，并置换S盒便于下一轮取出，选取过程取决于索引i和j，这也体现了在加密过程中S盒会变化。下面的是流程：

    res = []i = j =0for s in plain:i = (i + 1) %256j = (j + box[i]) %256box[i], box[j] = box[j], box[i]t = (box[i] + box[j])% 256k = box[t]res.append(chr(ord(s)^k))  #直接与每一个字节明文相异或

秘钥与明文异或产生密文

至于这一点就不用多说了，由于异或运算的对合性，RC4加密解密使用同一套算法。

python实现：

# -*- coding: utf-8 -*-
# Author:0verWatchimport base64def get_message():print("输入你的信息：")s = input()return sdef get_key():print("输入你的秘钥：")key = input()if key == '':key = 'none_public_key'return keydef init_box(key):"""S盒 """s_box = list(range(256)) #我这里没管秘钥小于256的情况，小于256应该不断重复填充即可j = 0for i in range(256):j = (j + s_box[i] + ord(key[i % len(key)])) % 256s_box[i], s_box[j] = s_box[j], s_box[i]#print(type(s_box)) #for_testreturn s_boxdef ex_encrypt(plain,box,mode):"""利用PRGA生成秘钥流并与密文字节异或，加解密同一个算法"""if mode == '2':while True:c_mode = input("输入你的解密模式:Base64 or ordinary\n")if c_mode == 'Base64':plain = base64.b64decode(plain)plain = bytes.decode(plain)breakelif c_mode == 'ordinary':plain = plainbreakelse:print("Something Wrong,请重新新输入")continueres = []i = j =0for s in plain:i = (i + 1) %256j = (j + box[i]) %256box[i], box[j] = box[j], box[i]t = (box[i] + box[j])% 256k = box[t]res.append(chr(ord(s)^k))cipher = "".join(res)#print(cipher)if  mode == '1':# 化成可视字符需要编码print("加密后的输出(没经过任何编码):")print(cipher)# base64的目的也是为了变成可见字符print("base64后的编码:")print(str(base64.b64encode(cipher.encode('utf-8')),'utf-8'))if mode == '2':print("解密后的密文：")print(cipher)def get_mode():print("请选择加密或者解密")print("1. Encrypt")print("2. Decode")mode = input()if mode == '1':message = get_message()key = get_key()box = init_box(key)ex_encrypt(message,box,mode)elif mode == '2':message = get_message()key = get_key()box = init_box(key)ex_encrypt(message, box, mode)else:print("输入有误！")if __name__ == '__main__':while True:get_mode()

安全性

由于RC4算法加密是采用的xor，所以，一旦子密钥序列出现了重复，密文就有可能被破解。所以必须对加密密钥进行测试，判断其是否为弱密钥。
当然，现在RC4已经不安全了，可以参考这篇文章，破解RC4现在是具有很高效率的。

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