加解密模式分析 - RC4 加密算法 | Alice and Bobの神秘小屋

RC4 算法是一种基于伪随机密钥流生成的对称流密码算法，它由 Ronald Rivest 于 1987 年设计，凭借极致简洁的结构和高效的运行性能，曾广泛应用于 TLS、WEP、SSL 等众多经典安全协议中。

在本章中，我们将深入剖析 RC4 算法的核心原理与实现细节。我们将从流密码的基础特性出发，逐步拆解其密钥调度算法（KSA）与伪随机生成算法（PRGA）的核心流程，但是由于内部设计缺陷，RC4 算法实际上已经在现代安全场景中已被认定为完全不安全，必须禁用。

RC4 加密过程 😁

RC4 加密算法的加密过程可以分为两个主要阶段：密钥调度算法（KSA）和伪随机生成算法（PRGA）。
RC4加密

密钥调度算法（KSA）

首先，RC4 用密钥把 0~255 打乱成一个乱序表，我们把这个乱序表叫做 S 盒（Substitution Box），S 盒的初始状态是 $S = [0, 1, 2, \ldots, 255]$，然后通过密钥对 S 盒进行打乱，相当于把短密钥变成均匀混乱的状态。

具体来说，KSA 的过程如下：

初始化 S 盒：$S[i] = i$，对于 $i = 0, 1, \ldots, 255$。
初始化一个长度为 256 的临时数组 $K$，将密钥重复填充到 $K$ 中，直到 $K$ 的长度为 256。
使用密钥对 S 盒进行打乱：对于 $i = 0$ 到 $255$，执行以下操作：
- 计算 $j = (j + S[i] + K[i]) \mod 256$。
- 交换 $S[i]$ 和 $S[j]$ 的值。

Key = [k1, k2, ..., kn]  # 密钥，长度为 n
K[i] = Key[i mod len(Key)]

j = 0
for i in range(256):
    j = (j + S[i] + K[i]) % 256
    # 计算交换索引j
    swap(S[i], S[j])
    # 交换S[i]和S[j]

通过上述步骤，S 盒被密钥打乱，形成一个新的状态，为后续的伪随机生成算法（PRGA）提供基础。

伪随机生成算法（PRGA）

在 KSA 之后，RC4 进入 PRGA 阶段，生成一个伪随机密钥流。PRGA 的过程如下：

初始化两个索引 $i$ 和 $j$，初始值为 0。
在每次生成一个字节的密钥流时，执行以下操作：
- $i = (i + 1) \mod 256$。
- $j = (j + S[i]) \mod 256$。
- 交换 $S[i]$ 和 $S[j]$ 的值。
- 输出密钥流字节：$K = S[(S[i] + S[j]) \mod 256]$。

然后将生成的密钥流字节与明文进行逐字节异或（XOR）操作，得到密文。由于异或操作的可逆性，解密过程与加密过程完全相同。

i = 0
j = 0
ciphertext = []

# 为每个明文字节生成对应的密钥流字节，并做异或
for byte in plaintext:
    i = (i + 1) % 256
    j = (j + S[i]) % 256
    S[i], S[j] = S[j], S[i]
    # 生成密钥流字节
    k = S[(S[i] + S[j]) % 256]
    # 明文与密钥流异或得到密文（RC4 加密/解密核心：异或可逆）
    ciphertext.append(byte ^ k)

通过上述步骤，RC4 生成了一个伪随机密钥流，并将其与明文进行异或操作，完成了加密过程。解密过程则是相同的，只需将密文与相同的密钥流进行异或即可恢复出原始明文。

RC4 加密算法实现 🥰

下面是一个简单的 RC4 加密算法的 Python 实现示例：

def rc4(key: bytes, data: bytes) -> bytes:
    # 1. KSA：初始化S盒
    S = list(range(256))
    j = 0
    key_len = len(key)
    # 填充K数组并打乱S盒
    for i in range(256):
        j = (j + S[i] + key[i % key_len]) % 256
        S[i], S[j] = S[j], S[i]

    # 2. PRGA：生成密钥流并异或
    i = j = 0
    result = []
    for byte in data:
        i = (i + 1) % 256
        j = (j + S[i]) % 256
        S[i], S[j] = S[j], S[i]
        t = (S[i] + S[j]) % 256
        keystream_byte = S[t]
        # 异或得到结果
        result.append(byte ^ keystream_byte)
    return bytes(result)

 #测试：加密和解密
key = b"secret_key_123"  # 密钥（ bytes类型）
plaintext = b"Hello, RC4!"  # 明文

ciphertext = rc4(key, plaintext)
decrypted_text = rc4(key, ciphertext)

print("密文（十六进制）:", ciphertext.hex())  # 输出密文（十六进制格式）
print("解密后明文:", decrypted_text.decode("utf-8"))  # 输出：Hello, RC4!

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