一、算法介绍

1.1 背景

RC4算法是由Ron Rivest在1987年为RSA数据安全公司设计的一种流密码算法，其安全性主要依赖于其密钥流的随机性和不可预测性。该算法因其高安全性和易于软件实现的特点而被广泛应用于各种安全协议和系统中，如SSL、Microsoft Windows、Lotus Notes、Apple AOCE、Oracle Secure SQL等。

RC4算法的核心在于其密钥调度算法(KSA)和伪随机生成算法(PRGA)。KSA负责将输入的密钥转换为一个初始状态表（S盒），而PRGA则利用这个状态表生成密钥流，用于加密或解密数据。RC4算法的一个显著特点是其线性反馈移位寄存器等特性，这使得它在流密码中具有独特的优势。

尽管RC4算法在安全性方面表现出色，但随着研究的深入，针对其PRGA过程的攻击方法也不断出现。例如，Knudsen等人在1998年提出的攻击方法在已知部分内部状态信息时非常有效。此外，RC4算法还存在密钥碰撞的问题，即不同的密钥可能生成相同的初始状态，这降低了算法的安全性。

1.2 密钥调度算法(KSA)

KSA的主要任务是根据输入的密钥生成一个初始置换表，这个表通常是一个大小为256x256的数组，称为S盒。

KSA的过程包括两个主要步骤：初始化和交换

初始化：首先将S盒初始化（线性填充）为一个从0到255的自然数序列

交换：然后使用密钥对S盒进行一系列的交换操作
具体来说，对于密钥中的每个字节，执行以下操作：

1. 计算两个索引i和j，其中i是当前处理的密钥字节的值模256，j是S盒中当前字节的值模256。
2. 交换S盒中索引i和j的元素：这个过程重复进行，直到密钥中的所有字节都被处理过。

def rc4_ksa(key):
    """密钥调度算法 (KSA)

    得到初始置换后的S表
    """
     # 种子密钥key若为字符串，则转成字节串
    if isinstance(key, str): 
        key = key.encode()
    # 初始化S表
    S = list(range(256)) 
    # 利用K表，对S表进行置换
    j = 0
    for i in range(256):
        j = (j + S[i] + key[i % len(key)]) % 256
        S[i], S[j] = S[j], S[i]  # 置换
    return S  

1.3 伪随机生成算法(PRGA)

PRGA使用KSA生成的S盒来生成密钥流，这个密钥流随后用于加密或解密数据。

PRGA的核心操作包括两个索引i和j的更新以及S盒中元素的交换

索引更新：每次生成一个新的密钥流字节时，i和j都会更新。更新规则是i增加1，j加上S盒中索引i的值模256。
元素交换：在更新索引后，交换S盒中索引i和j的元素。
生成密钥流：索引i处的S盒元素即为当前生成的密钥流字节。这个过程不断重复，直到生成所需的密钥流长度。

def rc4_prga(S, text):
    """伪随机生成算法 (PRGA)

    利用S产生伪随机字节流,
    将伪随机字节流与明文或密文进行异或,完成加密或解密操作
    """
    if isinstance(text, str):  # 待处理文本text若为字符串，则转成字节串
        text = text.encode()
    i = j = 0  # 初始化i,j
    result = []  # 存放处理结果
    count=0
    for byte in text:
        i = (i + 1) % 256
        j = (j + S[i]) % 256
        S[i], S[j] = S[j], S[i]  # 置换
        t = (S[i] + S[j]) % 256
        k = S[t]  # 得到密钥字k
        result.append(byte ^ k)  # 将明文或密文与k进行异或,得到处理结果
    return bytes(result)

二、代码实现

def rc4_ksa(key):
    """密钥调度算法 (KSA)

    得到初始置换后的S表
    """
    # 种子密钥key若为字符串，则转成字节串
    if isinstance(key, str):  
        key = key.encode()
    S = list(range(256))  # 初始化S表
    # 利用K表，对S表进行置换
    j = 0
    for i in range(256):
        j = (j + S[i] + key[i % len(key)]) % 256
        S[i], S[j] = S[j], S[i]  # 置换
    return S  


def rc4_prga(S, text):
    """伪随机生成算法 (PRGA)

    利用S产生伪随机字节流,
    将伪随机字节流与明文或密文进行异或,完成加密或解密操作
    """
    # 待处理文本text若为字符串，则转成字节串
    if isinstance(text, str):  
        text = text.encode()
    i = j = 0 
    result = []  
    count=0
    for byte in text:
        i = (i + 1) % 256
        j = (j + S[i]) % 256
        S[i], S[j] = S[j], S[i]  # 置换
        t = (S[i] + S[j]) % 256
        k = S[t]  # 得到密钥字k
        # 将明文或密文与k进行异或,得到处理结果
        result.append(byte ^ k)  
    return bytes(result)


def rc4_encrypt(key, text):
    """RC4加密"""
    # 将处理结果由字节串转为16进制字符串并返回
    return rc4_prga(rc4_ksa(key), text).hex()  


def rc4_decrypt(key, text):
    """RC4解密"""
    # 将处理结果由字节串转为字符串并返回
    return rc4_prga(rc4_ksa(key), bytes.fromhex(text)).decode()  
    ![](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/09961e4ea8ae47ccba838aea08739ecc.png)


def rc4_start():
    """RC4启动界面"""
    flag = True
    while flag:
        print("=" * 3, "RC4加密解密算法", "=" * 3)
        print("[1]加密")
        print("[2]解密")
        print("[0]退出")
        choice = input("请输入你的选择:")
        match choice:
            case "0":
                flag = False
            case "1":
                key = input("请输入种子密钥:")
                plaintext = input("请输入明文:")
                ciphertext = rc4_encrypt(key, plaintext)
                print("密文:", ciphertext)
            case "2":
                key = input("请输入种子密钥:")
                ciphertext = input("请输入密文:")
                plaintext = rc4_decrypt(key, ciphertext)
                print("明文:", plaintext)
            case _:
                print("输入错误，请重新输入")
    print("=" * 6, "退出成功", "=" * 6)


if __name__ == '__main__':
    rc4_start()

三、演示效果