流密码及RC4算法
来源:互联网 发布:java二分法递归 编辑:程序博客网 时间:2024/06/05 03:37
一、什么是密码系统及流密码?
密码系统(cryptosystem)是一套用来实现某种形式的加密及解密的算法,他分为两大类:私钥密码系统和公钥密码系统。私钥密码系统是指是指加密者和解密者(可以都是自己呵呵)在某些私有的信息上预先做了约定,来进行加密解密,如果有第三方知道了这私有信息(私钥),加密就没有意义了。公钥密码系统是指发送信息的人用对所有人公开的信息(公钥)来对信息加密后发送,接收方接到信息后用私钥(只有接收方本人知道的)进行解密;加密的算法是公开的,你可能问:难道就不能根据这个算法进行解密?这是公钥系统要解决的问题,即是否存在那样的函数y=f(x),由x计算y很容易,由y计算x非常困难;我还不知道这些函数有哪些,以后学了再说
私钥密码系统又分为分组密码(block cipher)和流密码(stream cipher)。两者的区别,形象来说,分组密码的转换是固定的,流密码的转换是随“时间”变换而变换的,它像水流一样源源不断的产生。流密码能够流行主要归功于香农对于 “一次一密” 的分析,他证明了“一次一密”几乎“攻不可破”。
一次一密的算法非常简单,假设你需要加密的信息(明文)有n比特长,然后你随机选一个长度为n比特的密码,可以选择的密码有2^n个,然后将明文和密码”相加“,两者都是一个同长度的二进制数,“相加”是指在相同的位进行异或运算(两数字相同时“和”为”0“,不同时“和”为”1“).要对密文进行解密,只需要将密文和密码“相加”就能得到明文了(可以试试)。如果密码真的是随机取的,第三方想破译,他最多可能需要尝试2^n次,就算信息只有60比特,大家知道的,2^60已经是个天文数字了。所以这方法非常安全。问题是,要记住这个密码可不是易事。解决这个问题的方法就是使用流密码喽。
流密码就是使用较短的一串数字(叫它密钥吧),来生成无限长的伪随机密码流,当然事实上只需要生成和明文长度一样的密码流就够了。一个非常简单的流密码算法是,用6个比特位101100做密钥,将它不断重复得到密码流101100101100101100….直到和明文长度相等,然后将密码流和明文“相加”就得到密文了,解密就是将这个密码流和密文“相加”。简单吧!其实这个流密码算法有个特殊的名称——维吉尼亚密码,当然这里密钥长度可以不是6。用较短的密钥产生无限长的密码流的方法非常多,其中有一种就叫做RC4。
在介绍RC4前,说说那个“相加”运算怎么实现。现在我们把明文的信息限制在ascii码字符集内(它已经能表示所有的英文资料了哈哈),每个字符是一个比特,占8位。假设明文是abc,a、b、c的ascii值分别为97、98、99。二进制形式为01100001、01100010、01100011。密钥流和明文长度一样,假设是sdf,同样可以得到二进制流01110011、01100100、01100110,让他们在对应位做异或运算就可以得到密文了,c语言有^运算符来实现“相加”的操作。我们就直接对字符进行“相加”即a^s, b^d, c^f。得到的结果的二进制形式为00010010、00000110、00000101,它们分别表示ascii码值为18、6、5的字符,在文本编辑器里打开是乱码,没有关系,反正是密文嘛:)
二、RC4
RC4用两步来生成密码流
首先你指定一个短的密码,储存在key[MAX]数组里,还有一个数组S[256],令S[i]=i。然后利用数组key来对数组S做一个置换,也就是对S数组里的数重新排列,排列算法为
for i from 0 to 255 S[i] := iendforj := 0for i from 0 to 255 j := (j + S[i] + key[i mod keylength]) mod 256 swap values of S[i] and S[j]endfor
第二步利用上面重新排列的数组 S 来产生任意长度的密钥流,算法为
i := 0j := 0while GeneratingOutput: i := (i + 1) mod 256 j := (j + S[i]) mod 256 swap values of S[i] and S[j] K := S[(S[i] + S[j]) mod 256] output Kendwhileoutput K
一次产生一字符长度(8bit)的密钥流数据,一直循环直到密码流和明文长度一样为止。
产生密钥流之后,对信息进行加密和解密就只是做个“相加”的运算了。
以下是我的c代码,编译得到encrypt可执行文件,在命令行下运行 encrypt 命令(后面必须跟一个纯文本文件名FILE作为参数),然后输入密钥,可将文件FILE进行加密,再次运行并输入相同的密钥可以进行解密,如果前后密钥不同,就不是解密而是进行二次加密了,哈我可以用自己理解的方式来加密信息了:) 这个程序本是针对纯英文文件来加密的,但是文件里有中文时一样可以加解密。不知道c语言对于中文是如何处理的??
#include <stdio.h>#define MAX_CHAR_LEN 10000void produceKeystream(int textlength, unsigned char key[], int keylength, unsigned char keystream[]){ unsigned int S[256]; int i, j = 0, k; unsigned char tmp; for (i=0; i<256; i++) S[i] = i; for (i=0; i<256; i++) { j = (j + S[i] + key[i % keylength]) % 256; tmp = S[i]; S[i] = S[j]; S[j] = tmp; } i = j = k = 0; while (k < textlength) { i = (i + 1) % 256; j = (j + S[i]) % 256; tmp = S[i]; S[i] = S[j]; S[j] = tmp; keystream[k++] = S[(S[i] + S[j]) % 256]; }}void encrypt(int textlength, unsigned char plaintext[], unsigned char keystream[], unsigned char ciphertext[]){ int i; for (i=0; i<textlength; i++) ciphertext[i] = keystream[i] ^ plaintext[i];}int main(int argc, char *argv[]){ if (argc != 2) { printf("Please use one and only one filename as a parameter\n"); return 0; } unsigned char plaintext[MAX_CHAR_LEN]; unsigned char key[32]; unsigned char keystream[MAX_CHAR_LEN]; unsigned char ciphertext[MAX_CHAR_LEN]; unsigned c; int i = 0, textlength, keylength; FILE *fp; if ((fp = fopen(*++argv, "r")) == NULL) { printf("file \"%s\" not found!\n", *argv); return 0; } while ((c = getc(fp)) != EOF) plaintext[i++] = c; textlength = i; fclose(fp); /* input a key */ printf("passwd: "); for (i=0; (c = getchar())!='\n'; i++) key[i] = c; key[i] = '\0'; keylength = i; /* use key to generate a keystream */ produceKeystream(textlength, key, keylength, keystream); /* use the keystream and plaintext to generate ciphertext */ encrypt(textlength, plaintext, keystream, ciphertext); fp = fopen(*argv, "w"); for (int i=0; i<textlength; i++) putc(ciphertext[i], fp); fclose(fp); return 0;}
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