RC4算法原理與應用 —— 密碼與密碼工程實踐No.1

RC4密碼簡介：
RC4是由美國密碼學家Ron Rivest在1987年設計的流密碼算法，該算法被廣泛用於 SSL/TLS協議(Socket Secure Layer, SSL)/(Transport Layer Security, TLS)，WEP(Wired Equivalent Privacy, WEP)協議和 WPA(Wi-Fi Protected Access, WPA)協議，也作爲蜂窩數字數據包規範的一部分。
RC4是一種基於非線性變換的流密碼算法。該算法包括兩部分：
（1）密鑰編制算法KSA(Key Sehedule Algorithm); 用可變長度的密鑰產生密鑰流生成器的初始狀態$S_0$。
（2）僞隨機序列生成算法 PRGA（Pseudo Random Generation Algorithm）；根據初始狀態 $S_0$產生密鑰流序列，最終與明文相異或產生密文。

RC4的實現步驟：
部分1 KSA實現步驟：

1. 隨機選取一個密鑰Key，初始化 S 盒。
2. $i_t$遍歷 S 盒中的每一個位置，$i_t$的每一次更新都會使得 $j_t$ 在 $S_{t-1}$ [$i_t$] 和Key的作用下產生一個新值。
3. 交換$S_t$中$j_t$和$i_t$對應的兩個字節。經過N步遍歷後KSA產生了RC4的初始狀態$s_0$。RC4的密鑰。

僞代碼實現：

KSA(Key, S)
for i = 0 to N-1
$i_0$ = 0, $j_0$ = 0;
where t = 1,2,…,N
$j_t$ = $j_{t-1}$+$S_{t-1}$[$i_{t-1}$] + Key[$i_{t-1}$ mod 1];
$S_t$[$i_t$] = $S_{t-1}$[$j_t$], $S_t$[$j_t$] = $S_{t-1}$[$i_t$];
$i_t$ = $i_{t-1}$ + 1;

部分2 PRGA實現步驟
僞隨機序列的生成原理是不斷地變換 S 盒中的元
素的位置，同時從中選擇一元素輸出，即僞隨機序列，也
稱密鑰流序列。

1. 根據 KSA 的初始狀態表$S_0$，初始化針$i_t$和$j_t$。
2. 更新該算法中的 j， 同時交換$S_t$中$i_t$和$j_t$對
   應的字節。
3. 僞隨機序列生成器不斷地變換S盒中字節的位置，每次改變後將 S 中 $S_t$ [$i_t$] + $S_t$ [$j_t$] 位置的值輸出，即爲8比特的密鑰流輸出字節，輸出的字節序列是{$Z_t$} (t ： 0 -> $\infty$)，{$Z_t$}與明文異或加密，與密文異或解密。

僞代碼實現：

PRGA($S_0$)
Initialization:
$i_0$ = 0;
$j_0$ = 0;
while(true)
$i_t$ =
($i_{t-1}$ + 1) mod N;
$j_t$ = ($j_{t-1}$ + $S_{t-1}$[$i_t$]) mod N;
$S_t$[$i_t$] = $S_{t-1}$[$j_t$], $S_t$[$j_t$] = $S_{t-1}$[$i_t$];
$Z_t$ = $S_t$[($S_t$[$i_t$] + $S_t$[$j_t$]) mod N];
output $Z_t$
endwhile

OpenSSL代碼應用：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <openssl/rc4.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
    RC4_KEY key;

    const char* data = "Hello,World!!";
    const char* indata = "This is plain text !!!!";
    
    int length = strlen((char *)data);
    int len = strlen((char*)indata);

    RC4_set_key(&key, length, (const unsigned char *)data);            //設置密鑰
    
    unsigned char* outdata;                                            //分配密文空間
    outdata = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char) * (len + 1));
    memset(outdata, 0, len + 1);                                       //初始爲0
    printf("\tindata=%s\n", indata);
    RC4(&key, strlen(indata), (const unsigned char*)indata, outdata);  //加密明文
    printf("\toutdata=%s\n", outdata);

    unsigned char* plain;                                              //分配明文空間
    plain = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char) * (len + 1));
    memset(plain, 0, len + 1);                                         //初始化爲0
    RC4_set_key(&key, length, (const unsigned char*)data);             //重新設置密鑰
    RC4(&key, strlen((char *)outdata), outdata, plain);                //解密密文
    printf("\tplain=%s\n", plain);
  
    return 0;
}
 

運行結果如下：