CRYPTO November 29, 2019

rc4学习

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RC4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。
流密码结构:

大致流程

下面这个图是rc4的流程图:

1、先初始化状态向量S(256个字节,用来作为密钥流生成的种子1)

按照升序,给每个字节赋值0,1,2,3,4,5,6…..,254,255

2、初始密钥(由用户输入),长度任意

如果输入长度小于256个字节,则进行轮转,直到填满

例如输入密钥的是1,2,3,4,5 , 那么填入的是1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,1,2,3,4,5……..

由上述轮转过程得到256个字节的向量T(用来作为密钥流生成的种子2)

3、开始对状态向量S进行置换操作(用来打乱初始种子1)

按照下列规则进行

从第零个字节开始,执行256次,保证每个字节都得到处理

j = 0;
for (i = 0 ; i < 256 ; i++){
j = (j + S[i] + T[i]) mod 256;
swap(S[i] , S[j]);
}

这样处理后的状态向量S几乎是带有一定的随机性了
4、最后是秘钥流的生成与加密,很多人在这里不是特别理解,别的博客也没有写的很简洁明了

假设我的明文字节数是datalength=1024个字节(当然可以是任意个字节)

i=0;

j=0;

while(datalength–){//相当于执行1024次,这样生成的秘钥流也是1024个字节

  

i = (i + 1) mod 256;
j = (j + S[i]) mod 256;
swap(S[i] , S[j]);
t = (S[i] + S[j]) mod 256;
k = S[t];这里的K就是当前生成的一个秘钥流中的一位

    //可以直接在这里进行加密,当然也可以将密钥流保存在数组中,最后进行异或就ok

data[]=data[]^k; //进行加密,"^"是异或运算符

}

解密按照前面写的,异或两次就是原文,所以只要把密钥流重新拿过来异或一次就能得到原文了

代码部分

RC4算法的原理很简单,包括初始化算法(KSA)和伪随机子密码生成算法(PRGA)两大部分。假设S-box的长度为256,密钥长度为Len。先来看看算法的初始化部分(用C代码表示): [1]
其中,参数1是一个256长度的char型数组,定义为: unsigned char sBox[256];
参数2是密钥,其内容可以随便定义:char key[256];
参数3是密钥的长度,Len = strlen(key);

/*初始化函数*/
void rc4_init(unsigned char*s,unsigned char*key, unsigned long Len)
{
    int i=0,j=0;
    //char k[256]={0};
    unsigned char k[256]={0};
    unsigned char tmp=0;
    for(i=0;i<256;i++) {
        s[i]=i;
        k[i]=key[i%Len];
    }
    for(i=0;i<256;i++) {
        j=(j+s[i]+k[i])%256;
        tmp=s[i];
        printf("copy for dongdeng");
        s[i]=s[j];//交换s[i]和s[j]
        s[j]=tmp;
    }
}

在初始化的过程中,密钥的主要功能是将S-box搅乱,i确保S-box的每个元素都得到处理,j保证S-box的搅乱是随机的。而不同的S-box在经过伪随机子密码生成算法的处理后可以得到不同的子密钥序列,将S-box和明文进行xor运算,得到密文,解密过程也完全相同。
再来看看算法的加密部分(用C代码表示):
其中,参数1是上边rc4_init函数中,被搅乱的S-box;
参数2是需要加密的数据data;
参数3是data的长度.

/*加解密*/
void rc4_crypt(unsigned char*s,unsigned char*Data,unsigned long Len)
{
    int i=0,j=0,t=0;
    unsigned long k=0;
    unsigned char tmp;
    for(k=0;k<Len;k++)
    {
        i=(i+1)%256;
        j=(j+s[i])%256;
        tmp=s[i];
        s[i]=s[j];//交换s[x]和s[y]
        s[j]=tmp;
        t=(s[i]+s[j])%256;
        Data[k]^=s[t];
    }
}

最后,在main函数中,调用顺序如下:

int main()
{
unsigned char s[256]={0},s2[256]={0};//S-box
char key[256]={"justfortest"};
char pData[512]="这是一个用来加密的数据Data";
unsigned long len=strlen(pData);
int i;
printf("pData=%s\n",pData);
printf("key=%s,length=%d\n\n",key,strlen(key));
rc4_init(s,(unsigned char*)key,strlen(key));//已经完成了初始化
printf("完成对S[i]的初始化,如下:\n\n");
for(i=0;i<256;i++)
{
    printf("%02X",s[i]);
    if(i&&(i+1)%16==0)putchar('\n');
}
printf("\n\n");
for(i=0;i<256;i++)//用s2[i]暂时保留经过初始化的s[i],很重要的!!!
{
    s2[i]=s[i];
}
printf("已经初始化,现在加密:\n\n");
rc4_crypt(s,(unsigned char*)pData,len);//加密
printf("pData=%s\n\n",pData);
printf("已经加密,现在解密:\n\n");
//rc4_init(s,(unsigned char*)key,strlen(key));//初始化密钥
rc4_crypt(s2,(unsigned char*)pData,len);//解密
printf("pData=%s\n\n",pData);
return0;
}

最终的完整程序是:

//程序开始
#include<stdio.h>
#include<string.h>
typedef unsigned longULONG; 
/*初始化函数*/
void rc4_init(unsigned char*s, unsigned char*key, unsigned long Len)
{
    int i = 0, j = 0;
    char k[256] = { 0 };
    unsigned char tmp = 0;
    for (i = 0; i<256; i++)
    {
        s[i] = i;
        k[i] = key[i%Len];
    }
    for (i = 0; i<256; i++)
    {
        j = (j + s[i] + k[i]) % 256;
        tmp = s[i];
        s[i] = s[j];//交换s[i]和s[j]
        s[j] = tmp;
    }
}
/*加解密*/
void rc4_crypt(unsigned char*s, unsigned char*Data, unsigned long Len)
{
    int i = 0, j = 0, t = 0;
    unsigned long k = 0;
    unsigned char tmp;
    for (k = 0; k<Len; k++)
    {
        i = (i + 1) % 256;
        j = (j + s[i]) % 256;
        tmp = s[i];
        s[i] = s[j];//交换s[x]和s[y]
        s[j] = tmp;
        t = (s[i] + s[j]) % 256;
        Data[k] ^= s[t];
    }
}
int main()
{
    unsigned char s[256] = { 0 }, s2[256] = { 0 };//S-box
    char key[256] = { "justfortest" };
    char pData[512] = "这是一个用来加密的数据Data";
    unsigned long len = strlen(pData);
    int i;     
    printf("pData=%s\n", pData);
    printf("key=%s,length=%d\n\n", key, strlen(key));
    rc4_init(s, (unsigned char*)key, strlen(key));//已经完成了初始化
    printf("完成对S[i]的初始化,如下:\n\n");
    for (i = 0; i<256; i++)
    {
        printf("%02X", s[i]);
        if (i && (i + 1) % 16 == 0)putchar('\n');
    }
    printf("\n\n");
    for (i = 0; i<256; i++)//用s2[i]暂时保留经过初始化的s[i],很重要的!!!
    {
        s2[i] = s[i];
    }
    printf("已经初始化,现在加密:\n\n");
    rc4_crypt(s, (unsigned char*)pData, len);//加密
    printf("pData=%s\n\n", pData);
    printf("已经加密,现在解密:\n\n");
    //rc4_init(s,(unsignedchar*)key,strlen(key));//初始化密钥
    rc4_crypt(s2, (unsigned char*)pData, len);//解密
    printf("pData=%s\n\n", pData);
    return 0;
}
//程序完
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