RC4算法对文件进行加密解密

在密码学中，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，因此也属于对称加密算法。RC4是有线等效加密（WEP）中采用的加密算法，也曾经是TLS可采用的算法之一。

RC4序列密码是美国RSA数据安全公司设计的一种序列密码。其实最开始这家公司并没有公布RC4算法的设计细节，在人们已经通过逆向分析得到了算法之后，在97年RSA公司才公布了RC4密码算法。
RC4算法的优点就是算法简单、高效，适合软件实现。

RC4算法的加密解密流程

RC4加解密相当于是对合运算，所以只要输入密钥相同，那么执行相同的操作即可对数据实现加密和解密。
而RC4和基于以为寄存器的序列密码不同，它是基于非线性数据表变换的序列密码，它以一个足够大的数据表为基础，对表进行非线性变化，从而产生非线性的密钥序列。
基本流程如下：
首先，RC4取一个256字节构成的S表，并引入一个256字节的辅助表R

对S表进行线性填充
即初始化S表，另，S[n] = n; (0<=n<=255)
```
   for(int i = 0;i < ROOM;i++)//初始化S表S[i] = i;
```
用种子密钥填充R表，如果种子密钥的长度小于R表的长度(256)，则依次重复填充，直至将R表填满
其实依次重复填充的弊端十分明显：

例如用户输入了密钥a，那么重复填充之后R表中全部为a
而用户输了密钥aa，那么重复填充之后R表也是全部为a
这样显然不是一个好的结果

还有一种做法是做Padding，即若密钥长度小于R表长度时，用固定格式的 padding来填充剩下的部分。

用R表对S表进行随机化处理
其操作算法如下：
①J = 0；
②对于I = 0 : 255
J = J + S[i] + R[j] mod 256;
swap(S[i],S[j]);//交换S[i]与S[j]
代码实现：

   void random(unsigned char *S,std::string R,int length)//随机化S表 {int i;unsigned char temp;unsigned char j = 0;   //R表长度肯定小于等于256，注意模其长度使得不超过其下标并达到重复效果 for( i = 0 ; i < ROOM ; i++ ){j = j + S[i] + R[i % length];temp = S[j];S[j] = S[i];S[i] = temp; }}

加密解密核心功能
生成了随机化S表之后，就可以对数据执行加密或解密算法了。
RC4在加密解密时可以看成一个有限状态自动机，通过不断产生新的状态来产生出密钥字节。
RC4的下一状态函数定义如下：
①I = 0 ，J = 0；//初始化状态
②I = I + 1 mod 256；
③J = J + S[i] mod 256
④swap(S[i],S[j]);//交换S[i]与S[j]
而RC4的输出函数定义为:
①h = S[i] + S[j] mod 256;
②k = S[h];
输出函数的输出k即产生出的密钥字节，让RC4有限状态自动机一个一个运转，便输出密钥字节序列。

在加密时，将密钥字节k与明文字节模二加便完成了加密，解密时将密钥字节k与密文字节模二加就完成了解密。

代码实现：
```
  for( num = 0 , i = 0 , j = 0 ; num < size ; num++ ) //逐位生成序列 {          temp = S[i];j = j + temp;S[i] = S[j];S[j] = temp;temp = temp + S[i];data[num] ^= S[temp];//data即加密或解密出的结果i += 1;}
```

总结

通过以上流程，RC4算法就基本完成了，而我们对一些功能和流程进行稍许加工，例如读取文件大小，满足用户加密解密的流程控制等。
最后一个小demo如下：

#include <string>
#include <stdlib.h>
#include <iostream>
#include <windows.h> #define ROOM 256void random(unsigned char *S,std::string R,int length);//随机化S表
bool Encryption(unsigned char *S,long size,char *file_name,int mode);
//加解密文件 因为是对合运算，所以只需要一个函数,用mode控制加密还是解密
long file_size(char* filename);              //读取文件长度int main (int argc, char *argv[])
{int Option;       //功能选择 unsigned char S[ROOM];      //S核心表 long file_length; //文件字节大小char R_temp[ROOM + 1];  //R表的备份表，预留一个'\0' std::string R;           //R表  while(1){R.clear();        //清空数据 file_length = 0; R_temp[0] = '\0';Option = -1;std::cout << "Welcome! Please choose the Option below:" << std::endl;//模式选择 std::cout << "input 1:encrption;" << std::endl;std::cout << "input 2:decrption;" << std::endl;std::cout << "input 0:exit." << std::endl;std::cin >> Option;while( std::cin.fail() )//输入出错处理 {std::cin.clear();   //复位标志位std::cout << "数据类型不对，请重新输入:";    fflush(stdin);      //清空缓冲区 std::cin >> Option;        }if(Option == 0) break;  //0则直接退出else if(Option != 1 && Option != 2){ std::cout << "输入选择有误，请重新输入:" << std::endl; //其他数字continue;}for(int i = 0;i < ROOM;i++)//初始化S表S[i] = i;std::cout << "请输入您的种子密钥" <<std::endl;fflush(stdin);             //清空之前的输入缓冲区std::cin.get(R_temp,ROOM); //保证忽略输入中的空格R = R_temp; int R_length = R.length(); //定义length为R表中字符个数 random(S,R,R_length);      //随机化S表 if(Option == 1){char file_name[16];         //定义加密文件名 std::cout << "请输入您要加密的文件" << std::endl;fflush(stdin);              //清空之前的输入缓冲区std::cin.get(file_name,16); //保证忽略输入中的空格file_length = file_size(file_name);//计算文件字节大小 if(Encryption(S,file_length,file_name,Option))   //加密成功 {std::cout << "退出请输入0,输入其他将回到初始界面" << std::endl; std::cin >> Option; }else                                            //加密失败，3s后返回主页面{std::cout << "加密失败!" << std::endl;for( int temp = 3 ; temp > 0 ; temp-- ){std::cout << temp << "s后将回到初始界面" << std::endl; Sleep(1000);}}}else if(Option == 2){char file_name[16];         //定义解密文件名 std::cout << "请输入您要解密的文件" <<std::endl;fflush(stdin);              //清空之前的输入缓冲区std::cin.get(file_name,16); //保证忽略输入中的空格file_length = file_size(file_name);//计算文件字节大小 if(Encryption(S,file_length,file_name,Option))   //解密成功 {std::cout << "退出请输入0,输入其他将回到初始界面" << std::endl; std::cin >> Option; }else                                         //解密失败，3s后返回主页面 {std::cout << "解密失败!" << std::endl;for( int temp = 3 ; temp > 0 ; temp-- ){std::cout << temp << "s后将回到初始界面" << std::endl; Sleep(1000);}}}if(Option == 0)break; }std::cout << "Thanks" << std::endl;return 0;
}void random(unsigned char *S,std::string R,int length)//随机化S表
{int i;unsigned char temp;unsigned char j = 0; //R表长度肯定小于等于256，注意模其长度使得不超过其下标并达到重复效果 for( i = 0 ; i < ROOM ; i++ ){j = j + S[i] + R[i % length];temp = S[j];S[j] = S[i];S[i] = temp; }
}bool Encryption(unsigned char *S,long size,char *file_name,int mode)//加解密文件 因为是对合运算，所以只需要一个函数,用mode控制加密还是解密
{FILE *pr;                      //定义读文件指针pr pr = fopen(file_name,"rb");    //只读  if(pr == NULL)                 //如果打开文件错误，则退出{std::cout << "用户输入文件打开失败！" << std::endl;return false;} FILE *pw;                      //定义写文件指针pwunsigned char *data;                      //存储原始文件数据，并在运算过程中充当输出序列与原序列的异或结果    unsigned char i,j,temp;             long num;data = (unsigned char *)malloc(size * sizeof(unsigned char));//分配内存 if(mode == 1)pw = fopen("encryption.txt","wb");    //模式为只写且刷新文件 elsepw = fopen("decryption.txt","wb");    //模式为只写且刷新文件if(pw == NULL)                            //如果打开文件错误，则退出{std::cout << "输出文件时出错！" << std::endl;return false;} fread(data,sizeof(char),size,pr);//读取二进制流(需要加/解密的文件) for( num = 0 , i = 0 , j = 0 ; num < size ; num++ ) //逐位生成序列 {           temp = S[i];j = j + temp;S[i] = S[j];S[j] = temp;temp = temp + S[i];data[num] ^= S[temp];i += 1;}if(mode == 1)std::cout << "功能完成，生成encryption.txt文件" << std::endl;elsestd::cout << "功能完成，生成decryption.txt文件" << std::endl;fwrite(data,sizeof(unsigned char),size,pw);//写入二进制流 fclose(pw);//关闭文件流 fclose(pr);free(data);//释放内存 return true;
} long file_size(char *filename) //读取文件长度
{    FILE *fp = fopen(filename,"r");   if(!fp) return -1;    fseek(fp,0L,SEEK_END);    //利用fseek函数将指针定位在文件结尾的位置long size = ftell(fp);    //利用ftell函数返回指针相对于文件开头的位置，以字节计算 fclose(fp);        return size;
}

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