RC4原理及其Python的實現

1. 背景與歷史

rc4是一種流加密法，這意味著，其加密是逐個位元組進行的，但也可以改為逐位加密或者是除位元組/位之外的大小。

rc4已經成為某些被廣泛使用的加密技術和標準的一部分，包括無線裝置隱私、用於無線卡與tls的wpa。它之所以能被這麼廣泛部署，是因為它的速度及設計的簡單性。它可以用軟體和硬體來實現，而且不用消耗太多的資源。

2. 演算法描述

rc4生成乙個稱為金鑰流的偽隨機流。加密時，這是使用xor的明文組合。解密也是以類似的方式進行的。

有乙個由1~ 256個位元組的組成的變長金鑰。該金鑰用於初始化乙個256位元組的狀態向量，其元素用s[0]，s[1]，…，s[255]標識。要進行解密或者解密操作，選取s中的256個位元組之一來進行。我們稱這個結果輸出為k。之後將s的項重新排列一次。這裡包含兩個處理過程：s的初始化，以及流的生成。

2.1 s的初始化

這個過程處理是由以下步驟組成：

（1）選取乙個長度為1~ 256個位元組的金鑰k。

（2）設定狀態向量s的值等於0~ 255（以遞增的順序），也就是說s[0]=0，s[1]=1，…，s[255]=255。

（3）建立臨時陣列，如果金鑰k的長度是256個位元組，那麼把k複製到s。否則，在把k複製到臨時陣列後，臨時陣列的剩餘位置再次用k的值進行填充，最後，臨時陣列必須完全填滿。此步驟可以用如下邏輯：

t=
bytes
(key,encoding=
'utf-8'
)#將utf-8的位元組碼解碼成python預設的unicode的字串
t=list
(t)#轉換成列表型別
print
('private key:'
,t)#輸出金鑰
len_key=
len(t)
#確定金鑰的長度
r=[t[i%len_key]
for i in
range
(256)]
#對t進行複製和填充，並儲存在r陣列中

s=
[x for x in
range
(256)]
#列表推導式，初始化狀態向量s
j=0#進行初始置換，位於s[i]的位元組與s陣列中的另乙個位元組（由r[i]決定）進行交換
for i in
range
(256):
j =(j+s[i]
+r[i])%
256#進行值交換
temp=s[i]
s[i]
=r[i]
r[i]
=temp

2.2 流的生成經過以上的初始化和置換以後，s已經準備好了，初始的金鑰陣列k可以丟棄了。現在我們需要另乙個迴圈。在每一步中，我們把s[i]與s的另乙個位元組進行交換，每次交換的方法由s的實現來決定。一旦用完了256個位置後，在從s[i]開始，其邏輯**如下：

i=
0 j=
0 sh=
length=
int(length)
for i in
range
(length)
: i=
(i+1)%
256 j=
(j+s[i])%
256 s[i]
,s[i]
=s[j]
,s[j]
h=(s[j]
+s[i])%
256 k=s[h]

然後，對於加密，k與明文的下乙個位元組進行xor執行。對於解密，k與密文的下乙個位元組進行xor運算。

3. 演算法實現

其演算法的加密和解密的python**如下：

#rc4的python實現
defini_s
(r):
#初始化s
s=[x for x in
range
(256)]
#列表推導式，初始化狀態向量s
j=0#進行初始置換，位於s[i]的位元組與s陣列中的另乙個位元組（由r[i]決定）進行交換
for i in
range
(256):
j =(j+s[i]
+r[i])%
256#進行值交換
temp=s[i]
s[i]
=r[i]
r[i]
=temp
return s
defgen_r
(key)
:#生成輔助表r
t=bytes
(key,encoding=
'utf-8'
)#將utf-8的位元組碼解碼成python預設的unicode的字串
t=list
(t)#轉換成列表型別
print
('private key:'
,t)#輸出金鑰
len_key=
len(t)
#確定金鑰的長度
r=[t[i%len_key]
for i in
range
(256)]
#對t進行複製和填充，並儲存在r陣列中
return r
defstream_k
(s,length)
: i=
0 j=
0 sh=
#sh儲存流
length=
int(length)
#儲存明文的長度或者密文長度的一半
for i in
range
(length)
: i=
(i+1)%
256#如果用完256個位置，再從s[i]開始
j=(j+s[i])%
256#選擇s[i]與s的另乙個位元組
#對s[i]和s的另一位元組進行交換
temp=s[i]
s[j]
=s[j]
s[i]
=temp
h=(s[j]
+s[i])%
256#防溢位操作
k=s[h]
#將k在sh的末尾新增新的物件
return sh
choose=
input
('choose 1--encryption, 2--decryption:'
)#1為加密，2為解密
#加密操作
if choose==
'1':
key=
input
('input the key:'
)#key儲存金鑰
r=gen_r(key)
#r儲存key的輔助表
s=ini_s(r)
#s的初始化
plaintext=
input
('input the plaintext:'
)#plaintext儲存明文
ciphertext=
''#ciphertext儲存密文
sh=stream_k(s,
len(plaintext)
)#生成明文的流
#sh與明文的下乙個位元組進行異或運算
for i in
range
(len
(plaintext)):
ciphertext = ciphertext +
'%02x'
%(sh[i]
^ord
(plaintext[i]))
#進行異或運算並儲存在ciphertext
print
('ciphertext:'
,ciphertext)
#輸出密文
#解密操作
if choose==
'2':
key=
input
('input the key:'
)#key儲存金鑰
k=gen_r(key)
#k儲存key的輔助表
s=ini_s(k)
#s的初始化
ciphertext=
input
('input the ciphertext:'
)#ciphertext儲存密文
plaintext=
''#plaintext儲存明文
sh=stream_k(s,
len(ciphertext)/2
)#生成密文的流
#sh與密文的下乙個位元組進行異或運算
for i in
range
(int
(len
(ciphertext)/2
)): plaintext = plaintext +
chr(
int(ciphertext[0:
2],16
)^ sh[i]
)#進行異或運算並儲存在plaintext
ciphertext=ciphertext[2:
]print
('plaintext:'
,plaintext)
#輸出密文

其加密的結果如下圖所示：

RC4原理及其Python的實現

python學習之RC4演算法實現

流密碼 python實現RC4加密

RC4加密演算法的原理及實現

RC4原理及其Python的實現

python學習之RC4演算法實現

流密碼 python實現RC4加密

RC4加密演算法的原理及實現

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