RC4流密码算法的密钥调度算法（KSA）与伪随机生成算法（PRGA）详解 题目描述 RC4是一种广泛使用的流密码算法，由Ron Rivest于1987年设计。其核心包括两部分：密钥调度算法（KSA）和伪随机生成算法（PRGA）。KSA利用可变长度密钥（通常40-256位）初始化一个256字节的S盒（状态数组），PRGA则基于S盒生成伪随机密钥流，与明文逐字节异或实现加密。本题要求详细分析KSA和PRGA的步骤、设计原理及潜在漏洞。 解题过程 1. 算法初始化：S盒的预填充 RC4的状态是一个256字节的数组S，初始时按顺序填充0到255的数值： 对于i从0到255： S[i] = i 此步骤确保S盒在密钥注入前处于已知的均匀状态。 2. 密钥调度算法（KSA） 目标 ：利用用户密钥对S盒进行随机化置换。 输入 ：密钥K（长度L字节，1≤L≤256），例如密钥"Key"（3字节）。 步骤 ： 初始化临时变量j=0。 对i从0到255循环： 计算 j = (j + S[i] + K[i mod L]) mod 256 。 例如：当i=0时，j = (0 + S[ 0] + K[ 0]) mod 256 = (0 + 0 + 75) mod 256 = 75（假设K[ 0 ]='K'的ASCII为75）。 交换S[ i]和S[ j ]的值。 续上例：交换S[ 0]和S[ 75]，使S[ 0]=75，S[ 75 ]=0。 关键点 ： 密钥字节通过模加和交换操作打乱S盒，但若密钥过短或存在偏差（如00重复），可能导致S盒状态弱随机化。 3. 伪随机生成算法（PRGA） 目标 ：基于KSA处理后的S盒生成密钥流字节。 步骤 ： 初始化i=0, j=0。 循环生成每个密钥流字节： 更新i： i = (i + 1) mod 256 。 更新j： j = (j + S[i]) mod 256 。 交换S[ i]和S[ j ]。 计算t = (S[i] + S[j]) mod 256 。 输出密钥流字节KeystreamByte = S[ t ]。 示例 ： 若S[ 1]=5, S[ 5]=10，则i=1, j=0+5=5，交换后S[ 1]=10, S[ 5]=5，t=(10+5)=15，输出S[ 15 ]的值。 4. 加密与解密 加密：明文字节 ⊕ KeystreamByte → 密文。 解密：密文字节 ⊕ KeystreamByte → 明文。 因异或操作的自反性，加解密过程相同。 5. 安全漏洞分析 初始字节偏差 ：PRGA初始输出的密钥流字节（如第1-3字节）可能与密钥相关，导致部分密钥信息泄露。 弱密钥 ：若密钥为"00 00 00"等模式，KSA可能生成可预测的S盒（如S[ 0]=0, S[ 1 ]=1...）。 WEP攻击 ：在WEP协议中，RC4与IV（初始化向量）结合使用，IV重复导致密钥流重用，可通过统计分析恢复密钥。 总结 RC4的简洁性使其曾广泛用于SSL/TLS等协议，但KSA和PRGA的线性操作导致多项攻击（如Fluhrer-Mantin-Shamir攻击）。现代应用中已逐步被AES-CTR等更安全的流密码替代。理解RC4有助于掌握流密码设计原则及随机性要求。