RC4算法

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RC4加密算法

　　RC4加密算法是大名鼎鼎的RSA三人组中的头号人物Ron Rivest在1987年设计的密钥长度可变的流加密算法簇。之所以称其为簇，是由于其核心部分的S-box长度可为任意，但一般为256字节。该算法的速度可以达到DES加密的10倍左右。

　　RC4算法的原理很简单，包括初始化算法和伪随机子密码生成算法两大部分。假设S-box长度和密钥长度均为为n。先来看看算法的初始化部分（用类C伪代码表示）：

　　for (i=0; i<n; i++)

　　s=i;

　　j=0;

　　for (i=0; i<n; i++)

　　{

　　j=(j+s+k)%256;

　　swap(s, s[j]);

　　}

　　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，并且，该序列是随机的：

　　i=j=0;

　　while (明文未结束)

　　{

　　++i%=n;

　　j=(j+s)%n;

　　swap(s, s[j]);

　　sub_k=s((s+s[j])%n);

　　}

　　得到的子密码sub_k用以和明文进行xor运算，得到密文，解密过程也完全相同。

　　由于RC4算法加密是采用的xor，所以，一旦子密钥序列出现了重复，密文就有可能被破解。关于如何破解xor加密，请参看Bruce Schneier的Applied Cryptography一书的1.4节Simple XOR，在此我就不细说了。那么，RC4算法生成的子密钥序列是否会出现重复呢？经过我的测试，存在部分弱密钥，使得子密钥序列在不到100万字节内就发生了完全的重复，如果是部分重复，则可能在不到10万字节内就能发生重复，因此，推荐在使用RC4算法时，必须对加密密钥进行测试，判断其是否为弱密钥。

　　但在2001年就有以色列科学家指出RC4加密算法存在着漏洞，这可能对无线通信网络的安全构成威胁。

　　以色列魏茨曼研究所和美国思科公司的研究者发现，在使用“有线等效保密规则”（WEP）的无线网络中，在特定情况下，人们可以逆转RC4算法的加密过程，获取密钥，从而将己加密的信息解密。实现这一过程并不复杂，只需要使用一台个人电脑对加密的数据进行分析，经过几个小时的时间就可以破译出信息的全部内容。

　　专家说，这并不表示所有使用RC4算法的软件都容易泄密，但它意味着RC4算法并不像人们原先认为的那样安全。这一发现可能促使人们重新设计无线通信网络，并且使用新的加密算法

 

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RC4是由RSA Security的Ron Rivest 在1987年开发出来的，虽然它的官方名是“Rivest Cipher 4”，但是首字母缩写RC也可以理解为Ron's Code。RC4开始时是商业密码，没有公开发表出来，但是在94年9月份的时候，它被人匿名公开在了Cypherpunks 邮件列表上，很快它就被发到了sci.crypt 新闻组上，随后从这儿传播到了互联网的许多站点。随之贴出的代码后来被证明是很有水平的，因为它的输出跟取得了RC4版权的私有软件的输出是完全的。由于算法已经公开，rc4也就不再是商业秘密了，只是它的名字“RC4”仍然是一个注册商标。RC4经常被称作是“ARCFOUR”或者"ARC4"（A lleged  RC4，所谓的RC4,因为RSA从来没有官方公布这个算法），这样来避免商标使用的问题。它已经成为一些广泛使用的协议和标准的一部分，比如，包括WEP和WPA的无线网卡和TLS。

让它如此广泛分布和使用的主要因素是它不可思议的简单和速度，不管是软件还是硬件，实现起来都十分容易。

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RC4加密算法在C++中的实现

在一些场合，常需要用到一些简单的加密算法，这里的RC4就可以说是最简单的一种。只要设置一个足够强的密码，就可以适用于一些非常简单的场合了。我是用来加密HTTP传送的数据的。

RC4函数（加密/解密）    其实，RC4只有加密，将密文再加密一次，就是解密了。

GetKey函数   随机字符串产生器，呵呵，为了方便，大多数加密算法都有一个随机密码产生器，我也就附带一个了。

ByteToHex函数   把字节码转为十六进制码，一个字节两个十六进制。研究发现，十六进制字符串非常适合在HTTP中传输，Base64中的某些字符会造成转义，挺麻烦的。

HexToByte函数   把十六进制字符串，转为字节码。服务器也按照十六进制字符串的形式把数据传回来，这里就可以解码啦。同时，使用十六进制字符串传输，避开了传输过程中多国语言的问题。

Encrypt函数    把字符串经RC4加密后，再把密文转为十六进制字符串返回，可直接用于传输。

Decrypt函数    直接密码十六进制字符串密文，再解密，返回字符串明文。

源码如下：

Encrypt.h文件：

#ifndef _ENCRYPT_RC4_
#define _ENCRYPT_RC4_

#include <string.h>

#define BOX_LEN 256

int GetKey(const unsigned char* pass, int pass_len, unsigned char *out);
int RC4(const unsigned char* data, int data_len, const unsigned char* key, int key_len, unsigned char* out, int* out_len);
static void swap_byte(unsigned char* a, unsigned char* b);

char* Encrypt(const char* szSource, const char* szPassWord); // 加密，返回加密结果
char* Decrypt(const char* szSource, const char* szPassWord); // 解密，返回解密结果

char* ByteToHex(const unsigned char* vByte, const int vLen); // 把字节码pbBuffer转为十六进制字符串，方便传输
unsigned char* HexToByte(const char* szHex); // 把十六进制字符串转为字节码pbBuffer，解码

#endif // #ifndef _ENCRYPT_RC4_

Encrypt.cpp文件：

#include "Encrypt.h"

char* Encrypt(const char* szSource, const char* szPassWord) // 加密，返回加密结果
{
if(szSource == NULL || szPassWord == NULL) return NULL;

unsigned char* ret = new unsigned char[strlen(szSource)];

int ret_len = 0;

if(RC4((unsigned char*)szSource,
    strlen(szSource),
    (unsigned char*)szPassWord,
    strlen(szPassWord),
    ret,
    &ret_len) == NULL)
   return NULL;

char* ret2 = ByteToHex(ret, ret_len);

delete[] ret;
return ret2;
}

char* Decrypt(const char* szSource, const char* szPassWord) // 解密，返回解密结果
{
if(szSource == NULL || (strlen(szSource)%2 != 0) || szPassWord == NULL)
   return NULL;

unsigned char* src = HexToByte(szSource);

unsigned char* ret = new unsigned char[strlen(szSource) / 2 + 1];

int ret_len = 0;

memset(ret, strlen(szSource) / 2 + 1,0);

if(RC4(src, strlen(szSource) / 2, (unsigned char*)szPassWord, strlen(szPassWord), ret, &ret_len) == NULL)
   return NULL;

ret[ret_len] = '\0';

return (char*)ret;
}

int RC4(const unsigned char* data, int data_len, const unsigned char* key, int key_len, unsigned char* out, int* out_len)
{
if (data == NULL || key == NULL || out == NULL)
   return NULL;

unsigned char* mBox = new unsigned char[BOX_LEN];

if(GetKey(key, key_len, mBox) == NULL)
   return NULL;

int i=0;
int x=0;
int y=0;

for(int k = 0; k < data_len; k++)
{
   x = (x + 1) % BOX_LEN;
   y = (mBox[x] + y) % BOX_LEN;
   swap_byte(&mBox[x], &mBox[y]);
   out[k] = data[k] ^ mBox[(mBox[x] + mBox[y]) % BOX_LEN];
}

*out_len = data_len;
delete[] mBox;
return -1;
}

int GetKey(const unsigned char* pass, int pass_len, unsigned char* out)
{
if(pass == NULL || out == NULL)
   return NULL;

int i;

for(i = 0; i < BOX_LEN; i++)
   out[i] = i;

int j = 0;
for(i = 0; i < BOX_LEN; i++)
{
   j = (pass[i % pass_len] + out[i] + j) % BOX_LEN;
   swap_byte(&out[i], &out[j]);
}

return -1;
}

static void swap_byte(unsigned char* a, unsigned char* b)
{
unsigned char swapByte;

swapByte = *a;

*a = *b;

*b = swapByte;
}

// 把字节码转为十六进制码，一个字节两个十六进制，内部为字符串分配空间
char* ByteToHex(const unsigned char* vByte, const int vLen)
{
if(!vByte)
   return NULL;

char* tmp = new char[vLen * 2 + 1]; // 一个字节两个十六进制码，最后要多一个'\0'

int tmp2;
for (int i=0;i<vLen;i++)
{
   tmp2 = (int)(vByte[i])/16;
   tmp[i*2] = (char)(tmp2+((tmp2>9)?'A'-10:'0'));
   tmp2 = (int)(vByte[i])%16;
   tmp[i*2+1] = (char)(tmp2+((tmp2>9)?'A'-10:'0'));
}

tmp[vLen * 2] = '\0';
return tmp;
}

// 把十六进制字符串，转为字节码，每两个十六进制字符作为一个字节
unsigned char* HexToByte(const char* szHex)
{
if(!szHex)
   return NULL;

int iLen = strlen(szHex);

if (iLen<=0 || 0!=iLen%2)
   return NULL;

unsigned char* pbBuf = new unsigned char[iLen/2]; // 数据缓冲区

int tmp1, tmp2;
for (int i=0;i<iLen/2;i++)
{
   tmp1 = (int)szHex[i*2] - (((int)szHex[i*2]>='A')?'A'-10:'0');

   if(tmp1>=16)
    return NULL;

   tmp2 = (int)szHex[i*2+1] - (((int)szHex[i*2+1]>='A')?'A'-10:'0');

   if(tmp2>=16)
    return NULL;

   pbBuf[i] = (tmp1*16+tmp2);
}

return pbBuf;
}

main.cpp文件

#include <iostream>
#include <string>
#include <stdio.h>

#include "Encrypt.h"

int main(int argc,char *argv[])
{
int size = 0;

char source[] = "chenli";
char pass[] = "123456";
char *result1 = NULL;
char *result2 = NULL;

result1 = Encrypt(source, pass);

printf("result1=%s\n", result1);

result2 = Decrypt(result1, pass);

printf("result2=%s\n", result2);

delete []result1;
delete []result2;

return 0;
}