现代密码学实验讲义

1、-RC4实验三序列一、 实验目的通过实际编程了解 RC4 算法的加密和过程，加深对序列算法的认识。二、序列实验原理又称为流，是指明文消息按字符（如二元数字）逐位的加密的一类算的工作原理如下图所示，左边是明文序列 m,上边是密钥序列ki ，法。序列密钥 K用于控制密钥序列产生器使其产生密钥序列ki ，明文序列与密钥序列比特对比特进行模二加，产生密文序列ci 从右边输出。过程与之类似。序列的主要特点有：（1）加密/运算只是简单的模二加运算。（2）安全强度主要依赖密钥序列的随机性。因此，如何设计一个好的密钥序列产生器，使其产生随机的密钥序列是序列体制的关键所在。密钥序列产生器（KG）有以下基本要求：

2、（1）密钥K 的长度足够大，一般应在 128 位以上；（2） KG 生成的密钥序列ki 具极大周期；（3） ki 具有均匀的 n 元分布，即在一个周期环上，某特定形式的 n 长比特串与其求反比特串，两者出现的频数大抵相当（如均匀的游程分布）；（4） 利用统计方法由ki 提取关于 KG 结构或 K 的信息在计算上不可行的；性，即ki 的每一比特均与K 的大多数比特有关；（5）（6） 扩散性，即K 任一比特的改变要引起ki 在全貌上的变化；（7） 密钥序列ki 不可，密文及相应的明文的部分信息，不能确定整个ki 。序列算法的关键是产生不可的密钥序列。序列的算法很多，其设计差的异较大且各有特点，有

3、RC4、A5、SEAL、PKZIP 等。下面从 RC4 入手来介绍序列实现机制。RC4 是由麻省理工学院的 Rivest 开发的，他也是 RSA 的开发者之一。RC4 的突出特点是在上容易实现。广泛的应用在商业产品中，包括 Lotus Notes,苹果计算机的 AOCE和 Oracle 安全 SQL 数据库。它还是蜂窝数字数据包规范的一部分。RC4 是一个典型的基于非线性数组变换的序列。它以一个足够大的数组为基础，对其进行非线性变换，产生非线性的密钥序列，一般把这个大数组成 S 盒。RC4 的 S 盒的大小根据参数 n 的值变化，理论上来说，RC4 算法可以生成总数为N 2n 个元素的 S 盒

4、。通常 n=8,此时，可以生成共有 256 个元素的数组 S。RC4 的每个输出都是数组 S 中的一个元素。要实现这些，需要两个处理过程：一个是密钥调度算法，用来设置 S 的初始排列；另一个是伪随机生成算法，用来选取随机元素并修改 S 的原始排列顺序。KSA 首先初始化 S，即 Sj=i(i=0255),同时建立一个临时向量 T，如果密钥 K 的长度为 256 字节，则将K 赋给 T，否则，若密钥K 的长度为 keylen 小于|T|，则将 K 的值赋给 T 的前（|K|/8）个元素，并不断重复加载 K 的值，直到 T 被填满。这些操作可以概括如下：for (i=0; i256; i+)si=

5、i;Ti=Ki mod keylen然后用 T 产生 S 的初始置换，从 S0到 S255，对每个 Si,根据 Ti的值将 Si置换为 S 中的另一个字节。j=0;for (i=0; i256; i+)j=(j+si+Ti)%256;swap(si, sj);/交换S（i）和S（j）的内容;因为对 S 的操作仅是交换，所以唯一的改变就是位置，S 仍然包含所有值为 0255 的元素。最后，利用 PRGA 完成密钥流生成过程。从 S 中随机选取元素输出，并修改 S 以便下一次选取，选取过程取决于索引 i 和 j,下面描述选取密钥序列的过程：i=j=0;while (明文未结束)+i%=n;j=(j

6、+si)%n; swap(si, sj);k=s(si+sj)%n);加密时，将 k 的值与明文字节异或；时，将 k 的值与密文字节异或。总结 RC4 的逻辑结构。加密时，将 k 的值与明文字节异或；时，将 k 的值与密文字节异或。为了安全强度，目前的RC4至少使用128位密钥，防止穷举RC4算法可以看成一个有限状态的自态：T（S0，S1，S2S255，i,j），S-box和i、j索引的具体取值为RC4的一个状三、 实验环境运行 Windows 或 Linux 操作系统的 PC 机，具有 gcc(Linux)、VC（Windows）等 C 语言编译环境。四、 实验内容和步聚算法分析程序中用到的

7、函数如下Swap(Si,Sj);函数名称：交换函数对 S 进行初始置换。 re_S(char *S)函数名称：初始函数初始 Sre_T(char *T,char *key)函数名称：初始函数 对 T 进行初始化 re_Sbox(char *S,char *T)函数名称：置换函数，密钥的调度算法对 S 进行初始置换re_RC4(char *S,char *key)函数名称：密钥流生成函数，（伪随机生成算法）生成密钥流。使用实例分析下面以元素长为 3 的 RC4 为例，说明使用过程。显然，其操作是对 8 取模。数组 S 只有 8 个元素，初始化为：选取一个密钥，该密钥是由 0 到 7 的数以任意顺

8、序组成的。例如选取 5、6 和 7 作为密钥。该密钥如下填入密钥数组 T 中；然后利用如下循环构建实际的 S 数据表： j=0;for(i=0;i8;i+) j:=(j+s(i)+k(i) mod 8;swap(S(i),S(j);该循环以j=0和i=0开始。使用更新公式后j为：j=(0+S(0)+K(0) mod 8=5因此，S 数据表的第一个操作是将 S(0)与 S(5)互换。索引 i 加 1 后，j 的下一个值为：j=(5+S(1)+K(1) mod 8=(5+1=6) mod 8=4即将 S 数据表的 S(1)和 S(4)互换：当该循环执行完后，数组 S 就被随机化：这样数据表 S 就可以用来生成随机的密钥流序列。从 j=0 和 i=0 开始，RC4 如下计算第一个密钥字：i=(i+1) mod 8=(0+1) mod 8 =1j=(j+s(i) mod 8=(0+s(1) mod 8=(0+4) mod 8=4 swap (S(1),S(4)然后如下计算t和k:t=(S(j)+S(i) mod 8=(S(4)+S(1) mod 8=