RC4加密与实现

背景

RC4全名Rivest Cipher 4，是1987年Ron Rivest设计的一种流加密法，属于对称加密算法，曾经是WEP、TLS等使用的加密算法，它速度较快，且设计简单，所以使用较广

基本原理

首先RC4的秘钥是可变的，长度在1~256个字节之间，开始前我们需要一个初始化状态向量，在进行初始置换后生产流秘钥进行加密。对于解密则是和加密一样的算法。

详细流程

S的初始化

1. 首先定义一个长度为1~256个字节的秘钥K。
2. 初始化一个向量S，S[0] = 0,S[1] = 1, … ,S[255] = 255
3. 创建临时数组T，T的长度是256，T用K填充，填不满的循环用K填充，直到T被填满

S的初始置换

T数组的作用是对S进行初始置换，置换规则如下：将S[i]与S[j]交换，其中j = (j + S[i] + T[i]) mod 256。j的初始值是0

流秘钥生成

根据如下计算：i = (i+1) mod 256，i初始值为0；j = (j + s[i]) mod 256,j初始值位0。然后交换s[i]和S[j]。令t = (S[i] + S[j]) mod 256。输出S[t]作为秘钥通明文进行一字节一字节的加密（异或运算）

简单实现

java代码简单实现如下

public class RC4 {
    private int[] S = new int[256];
    RC4(byte[] keys) throws Exception {
        int keyLen = keys.length;
        if (keyLen <1 || keyLen > 256)
            throw new Exception("秘钥长度错误");
        int[] T = new int[256];
        for (int i = 0;i<256;i++){
            S[i] = i;
        }
        int j = 0;
        for (int i = 0;i<256;i++){
            j = (j + S[i] + keys[i % keyLen]) % 256;
            int temp  = S[i];
            S[i] = S[j];
            S[j] = temp;
        }
    }

    public byte[] encrypt(byte[] msgs){
        int i = 0,j = 0;
        byte[] out = new byte[msgs.length];
        for (int k = 0;k<msgs.length;k++){
            i = (i+1)%256;
            j = (j+S[i])%256;
            int temp  = S[i];
            S[i] = S[j];
            S[j] = temp;
            out[k] = (byte) (msgs[k] ^ S[(S[i] + S[j])%256]);
        }
        return out;
    }
}

验证

public static void main(String[] args) throws Exception {
        RC4 rc4 = new RC4("123".getBytes());
        byte[] out = rc4.encrypt("abcdefg".getBytes());
        Base64.Encoder encoder = Base64.getEncoder();
        System.out.println(new String(encoder.encode(out)));
    }

最后输出：MpLc5oASYw==

使用第三方RC4加密验证：

解密验证，由于说解密算法和加密算法一致，所以我们不必做任何修改，直接如下：

public static void main(String[] args) throws Exception {
        RC4 rc4 = new RC4("123".getBytes());
        byte[] out = rc4.encrypt("abcdefg".getBytes());

        RC4 rc41 = new RC4("123".getBytes());
        System.out.println(new String(rc41.encrypt(out)));
    }

需要注意的一点是，解密时要新建一个RC4对象，原来的对象在加密时S数组已经发生交换，不能使用。

总结

RC4算法通过上面实现来看非常简单，没有什么复杂计算，只有简单的交换和异或运算，秘钥也足够长，是一种比较理想的算法。但是弱密钥会导致算法不安全，另外由于更好的算法出现，RC4目前已经很少使用。

题图来自unsplash：https://unsplash.com/photos/B9j-xgMVf90