基于RC4算法分析与研究

王方鑫

摘 要：序列密码是一种非常重要的对称密码体制，它一次只对单个字符进行加密解密变化。RC4是一个典型的基于非线性数组变换的序列密码，它的优点在于它在软件中非常容易实现，并且运行速度快，错误传播少，是一种值得推广的序列密码。

关键词：RC4算法；序列密码；安全性；对称加密算法

序列密码起源于Vernam密码，1917年，G.Vernam提出了流密码Vernam cipher，若密钥流字符是随机的，那么Vernam密码成为一次一密，这种密码在一定条件下是无条件安全的。当然序列密码也存在缺陷，即密钥的个数必须和明文的个数相同，密钥的分配和管理十分的困难。1949年，Shannon信息论的提出为序列密码奠定了理论基础。序列密码分为同步序列密码SSC和自同步序列密码SSSC。相比于分组密码，序列密码特殊在于它每次用一个密钥加密一个比特，它的速度更快，占用硬件资源更少。

1 RC4算法简介

RC4算法是由麻省理工学院的Rivest在1987年设计的一种流密码，作为RSA的商业机密直到1994年才被匿名公布于Internet。RC4算法可能是世界上运用范围最为广泛的序列密码，它是一个典型的基于非线性数组变换的序列密码。RC4算法的密钥长度可以改变，该算法以随机置换作为基础，生成一个极大周期密钥流，且该算法的运行速度非常快。

RC4目前应用范围十分的广泛，它被应用在SSL/TLS（安全套接字协议/传输层安全协议）标准中，以及作为无线局域网标准的一部分，还被应用在无线系统以保证无线链路的安全。从各种各样的应用，我们可以看出来RC4算法是目前网络通信的重要组成部分，这个算法非常的重要。

2 RC4算法步骤

RC4算法主要由四部分组成，分别是初始化、初始置换、密钥流的生成、异或操作。

2.1 初始化

首先将S中的元素初始化，设为S[i]=i，i的取值从1到255，同时新建临时数组T。这些操作如下：

2.2 初始置换

用临时数组T产生S的初始置换，从S[0]到S[255]，进行字节代换。这些操作如下：

如下图所示S的初始置换如下：

S的初始置换图

2.3 密钥流的生成

最后利用PRGA生成密钥流，从S中随机选取一个元素并且输出，并置换S以便下一次的选取。

3 RC4算法的安全性

（1）2001年，Fluhrer，Mantin，Shamir提出了在相关密钥下的唯密文攻击RC4，后來被Stubblefield用于WEP协议攻击，需要大量的数据。

（2）2005年，Klein优化了在相关密钥下的唯密文攻击RC4，Tews等用Klein攻击，可以在一分钟之内破解104位WEP协议。

4 RC4算法的优点和缺点

4.1 RC4算法的优点

（1）当RC4的密钥长度超过128位时，目前不能破解。

（2）和RSA算法等相比，RC4算法速度比较快。

（3）RC4算法易于实现，方便软件设计。

（4）RC4算法有较强的抗攻击能力。

（5）RC4算法对硬件资源消耗低。

4.2 RC4算法的缺点

（1）WEP协议容易受到一种特殊的攻击方式攻击。

（2）需要事先秘密地传递密钥。

5 结语

RC4是一个典型的基于非线性数组变换的序列密码，它具有了很多优点，比如实现方便、易于软件设计、具有较强的抵抗攻击的能力，目前来说，还没有什么方法能攻破长度超过128位的RC4算法。RC4具有极高的社会使用价值和发展空间，值得进一步深入研究。

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