RC4加密算法的原理与实现

RC4算法相关信息

设计者：Ronald Rivest(from RSA Security)
发布时间：1987年(设计)/1994年(公开)
算法特点：流加密，密钥长度可变，对称加密算法
密钥长度：40～2048 bits

RC4算法曾经被用于WEP、WPA的无线网络通讯协议，以及SSL和早期的TLS网络传输层安全协议，由于RC4存在快速破解方法，已于2015年被RFC 7465禁止在TLS中使用

算法原理与实现

RC4的原理非常简单，给定一个不超过256字节的密钥，根据密钥在算法中用伪随机数算法初始化一个长度为256、元素不重复的字节数组，之后逐字节读入待加密的数据，通过算法在S盒中取出一个字节并与明文字节进行位异或运算加密。
由于RC4算法使用的是位异或运算进行加密，因此其加密与解密的算法是完全一样的，实现起来也非常方便

以下给出一个简单的实现，仅用于实验目的
使用语言：Kotlin

主函数的实现细节，加密算法核心在此处：

/*
 * RC4Kayo.kt
 *
 * By Kayo Hikawa(a.k.a. Summerfirefly/Natsuyoru Kurosawa)
 * 
 * License: Copyleft/Public Domain
 *
 */

// 这是一个控制台程序
// 接受2-3个控制台参数
// 参数1：输入文件（必需）
// 参数2：输出文件（必需）
// 参数3：密钥文件（加密时可选，解密时必需）

import java.io.File
import kotlin.experimental.xor

fun main(args: Array<String>) {
    val key = if (args.size < 3) RC4Key() else RC4Key(File(args[2]))
    if (args.size < 3) key.saveKeyAsFile("${args[0]}.kayo.key")

    //初始化一个字节数组
    val S = IntArray(256, { i -> i })
    var j = 0

    //使用伪随机打乱S数组
    for (i in S.indices) {
        j = (j + S[i] + (key.key[i % key.keyLen].toInt() and 0xff)) % 256
        val temp = S[i]
        S[i] = S[j]
        S[j] = temp
    }

    j = 0
    var i = 0
    val inputFile = File(args[0]).readBytes()
    val outputFile = File(args[1])

    // 此处若输出文件已经存在，直接删除旧文件
    // 实际应用中为保护用户数据，需更改处理方式
    if (outputFile.exists()) outputFile.delete()

    //进行流加密
    for (b in inputFile) {
        i = (i + 1) % 256
        j = (j + S[i]) % 256

        val temp = S[i]
        S[i] = S[j]
        S[j] = temp

        outputFile.appendBytes(byteArrayOf(b xor S[(S[i] + S[j]) % 256].toByte()))
    }
}

RC4Key的实现细节如下
注意，此代码同样仅用于实验，未考虑过多的实用性：

/*
 * RC4Key.kt
 *
 * By Kayo Hikawa(a.k.a. Summerfirefly/Natsuyoru Kurosawa)
 *
 * License: Copyleft/Public Domain
 *
 */

// 这是算法的密钥类
// 可随机生成指定长度密钥，也可指定密钥文件

import java.util.Random
import java.io.File

class RC4Key constructor(private var _keyLen: Int = 256) {
    private var _key: ByteArray = ByteArray(_keyLen, { _ -> (Random().nextInt() % 256).toByte() })

    val key: ByteArray get() = _key
    val keyLen: Int get() = _keyLen

    constructor(keyFile: File) : this() {
        _key = keyFile.readBytes()
        _keyLen = _key.size
    }

    fun saveKeyAsFile(targetPath: String) {
        File(targetPath).writeBytes(_key)
    }
}