基于C语言的RC4算法，概念，算法流程及代码实现

RC4（Rivest Cipher 4）是一种流加密算法，由Ron Rivest在1987年设计。它是一种对称加密算法，意味着加密和解密使用相同的密钥。RC4算法因其简单、高效而被广泛应用于各种安全协议中，如WEP（Wired Equivalent Privacy）和TLS（Transport Layer Security）的早期版本。然而，由于RC4存在一些安全漏洞，近年来逐渐被更安全的算法所取代。

1.RC4算法的核心思想

RC4是一种基于伪随机数生成器（PRGA，Pseudo-Random Generation Algorithm）的流加密算法。它的核心思想是生成一个与明文长度相同的伪随机密钥流，然后将这个密钥流与明文进行逐字节的异或操作，从而得到密文。解密过程与加密过程相同，因为异或操作是可逆的。

2.RC4算法的步骤

RC4算法主要包括两个部分：​​密钥调度算法（KSA，Key-Scheduling Algorithm）​​和​​伪随机生成算法（PRGA，Pseudo-Random Generation Algorithm）​​。

该流程图来自以为网友，忘记了，但还是要感谢他！

1. 密钥调度算法（KSA）

KSA的作用是初始化一个256字节的状态数组（S-box），并根据密钥对其进行排列。

• ​​初始化S-box​​：

  • 创建一个大小为256的字节数组 S，其中 S[i] = i，i 从0到255。

• ​​密钥调度​​：

  • 使用密钥对 S-box 进行排列。假设密钥长度为 L 字节，密钥为 K[0], K[1], ..., K[L-1]。
  • 初始化两个索引 i 和 j，初始值都为0。
  • 对于每个 i 从0到255：
    • j = (j + S[i] + K[i mod L]) mod 256
    • 交换 S[i] 和 S[j]

2. 伪随机生成算法（PRGA）

PRGA的作用是生成一个与明文长度相同的伪随机密钥流。

• ​​初始化索引​​：

  • 初始化两个索引 i 和 j，初始值都为0。

• ​​生成密钥流​​：

  • 对于每个字节 n（从0到明文长度-1）：
    • i = (i + 1) mod 256
    • j = (j + S[i]) mod 256
    • 交换 S[i] 和 S[j]
    • t = (S[i] + S[j]) mod 256
    • 从 S-box 中取出 S[t]，作为伪随机密钥流的一个字节 K[n]

3. 加密/解密过程

• ​​加密​​：

  • 将明文与生成的伪随机密钥流逐字节进行异或操作，得到密文。

• ​​解密​​：

  • 将密文与相同的伪随机密钥流逐字节进行异或操作，恢复明文。

3.RC4算法的优缺点

​​优点​​：

• 简单、高效，适合资源受限的环境。
• 加密和解密过程相同，实现方便。

​​缺点​​：

• ​​密钥重用问题​​：如果相同的密钥被多次使用，攻击者可以通过分析密文推断出明文。
• ​​密钥长度问题​​：RC4的密钥长度通常为40位或128位，较短的密钥长度容易受到暴力破解攻击。
• ​​偏差问题​​：RC4生成的密钥流存在统计偏差，攻击者可以利用这些偏差进行密码分析。

4.RC4的安全性问题

由于RC4存在上述安全性问题，尤其是在密钥重用和密钥流偏差方面，近年来RC4逐渐被更安全的加密算法（如AES）所取代。特别是在TLS协议中，RC4的使用已经被弃用。

总结

RC4是一种简单且高效的流加密算法，但由于其存在的安全漏洞，已经不再推荐用于现代安全应用中。理解RC4的工作原理有助于更好地理解流加密的基本概念，但在实际应用中应选择更安全的加密算法。

5.代码实现

//
/********************************
RC4算法加密示例程序
作者: Lious_gcp
********************************/
#include <stdio.h>
#include <string.h>

// 全局变量声明
int S[256];    // 状态数组
char *key;     // 密钥数组
int RAND[256]; // 随机密钥流

void KSA(char *key);           // 密钥调度算法
void PRGA();                   // 伪随机数生成算法
void Swap_State(int i, int j); // 状态交换算法

//
void Swap_State(int i, int j)
{
    int temp;
    temp = S[i];
    S[i] = S[j];
    S[i] = temp;
}

//
void KSA(char *key)
{
    int j;
    int keylength;
    int i;

    // 索引
    keylength = strlen(key);
    for (i = 0; i < 256; i++)
    {
        S[i] = i;
    }

    // 初始化状态数组
    j = 0;
    for (i = 0; i < 256; i++)
    {
        j = (j + S[i] + key[i % keylength]) % 256;
        Swap_State(i, j);
    }
}

//
void PRGA()
{
    // 初始化
    int i = 0;
    int j = 0;
    int number = 0;
    // 已经生成的随机字
    // 通过循环生成
    while (number < 256)
    {
        i = (i + 1) % 256;
        j = (j + S[i]) % 256;
        Swap_State(i, j);
        RAND[number] = S[(S[i] + S[j]) % 256];
        number++;
    }
}


int main()
{
    char *plaintext;
    unsigned int ciphertext[256];
    int i;
    int plaintext_length;
    plaintext = "hello, C.";

    key = "Key";

    plaintext_length = strlen(plaintext);
    KSA(key);
    PRGA();
    printf(" RC4 Experiment, April 12 2025, Lious_gcp. \n\n");
    for (i = 0; i < plaintext_length; i++)
    {
        ciphertext[i] = plaintext[i] ^ RAND[i];
        printf(" plaintext[ %i]=%c\t", i, plaintext[i]);
        printf(" ciphertext[ %i]=%x\n", i, ciphertext[i]);
    }
    return 0;
}