222012321210140 罗江涛 流密码

流密码加密实验
学号：222012*********
姓名：罗江涛
班级：计算机科学与技术学院
【实验环境】
ISES客户端
Microsoft CLR Debugger 2005或其它调试器
【实验内容】
通过运算器工具实现RC4算法的加解密计算
对RC4和LSFR算法进行扩展实验
对RC4和LSFR算法的加解密进行算法跟踪
【实验原理】
流密码(stream cipher)也称为序列密码，每次加密处理数据流的一位或一个字节，加解密使用相同的密钥，是对称密码算法的一种。

1949年Shannon证明只有一次一密密码体制是绝对安全的，为流密码技术的研究提供了强大的支持，一次一密的密码方案是流密码的雏形。

流密码的基本思想是利用密钥K产生一个密钥流k1k2…k n对明文流M=m1m2…m n进行如下加密：C=c1c2…c n=E k1(m1)E k2(m2)…E kn(m n)。

若流密码所使用的是真正随机产生的、与消息流长度相同的密钥流，则此时的流密码就是一次一密的密码体制。

流密码分为同步流密码和自同步流密码两种。

同步流密码的密钥流的产生独立于明文和密文；自同步流密码的密钥流的产生与密钥和已经产生的固定数量的密文字符有关，即是一种有记忆变换的序列密码。

一、RC4流密码算法
RC4是1987年Ron Rivest为RSA公司设计的一种流密码，是一个面向字节操作、具有密钥长度可变特性的流密码，是目前为数不多的公开的流密码算法。

目前的RC4至少使用128为的密钥。

RC4的算法可简单描述为：对于n位长的字，有共N=2n个可能的内部置换状态矢量S= S[0] ,S[1],…, S[N-1]，这些状态是保密的。

密钥流K由S中的2n个元素按一定方式选出一个元素而生成，每生成一个密钥值，S中的元素就重新置换一次，自始至终置换后的S包含从0到N-1的所有n比特数。

RC4有两个主要算法：密钥调度算法KSA和伪随机数生成算法PRGA。

KSA算法的作用是将一个随机密钥变换成一个初始置换，及相当于初始化状态矢量S，然后PRGA利用KSA
生成的初始置换生成一个伪随机数出序列。

密钥调度算法KSA的算法描述如下：
for i=0 to N-1 do
S[i]=i;
j=0;
for i=0 to N-1 do
j=(j+S[i]+K[i mod L]) mod N;
swap(S[i],S[j]);
初始化时，S中元素的值被设置为0到N-1，密钥长度为L个字节，从S[0]到S[N-1]对于每个S[i]根据有密钥K确定的方案，将S[i]置换为S中的另一个元素。

伪随机数生成算法PRGA的算法描述如下：
i=0;
j=0;
while(true)
i=(i+1) mod N;
j=(j+S[i])mod N;
swap(S[i],s[j]);
output k=S[(S[i]+S[j])mod N];
PRGA算法主要完成密钥流的生成，从S[0]到S[N-1]，对每个S[i]，根据当前S的值，将S[i]与S中的另一个元素置换，，当S[N-1]完成置换后，操作再从S[0]开始重复。

加密时将K值与下一个明文字节异或；解密时将K值与下一密文字节异或。

二、基于LFSR的流密码
线性反馈移位寄存器(Linear Feedback Shift Register,LFSR)是产生密钥流最重要的部件。

如图1.1.3-1所示，GF(2)上一个n级反馈移位寄存器由n个二元存储器与一个反馈函数f(a1,a2,…,a n)组成；每一个二值(0,1)存储器称为反馈移位寄存器的一级，a i表示第i级存储器的内容；在某一时刻，这些级的内容构成该反馈移位寄存器的一个状态，共有2n个可能的状态，每一状态对应一个n维向量(a,a,…,a)。

图1.1.3-1
在主时钟确定的周期区间上，每一级存储器a i都就将其内容传递给下一级a i-1，并根据寄存器当前的状态计算f(a1,a2,…,a n)的值作为a i下一时刻的内容，即从一个状态转移到下一状态。

若反馈移位寄存器的反馈函数f(a1,a2,…,a n)=c n a1c n-1a2…c1a n，其中系数c i=0,1，加法为
模2加，即该反馈函数是a1,a2,…,a n的线性函数，则称之为线性反馈移位寄存器，用LFSR 表示，如图1.1.3-2所示。

令a i(t)便是t时刻第i级的内容，则有：
图1.1.3-2
基于LSFR 的流密码反馈加密体制如下： 设密钥为c 1,c 2,…,c n ，a 1,a 2,…,a n 的初始状态为s 1,s 2,…,s n ，其中c n =1。

设明文为m=m 1m 2…m n ，密文为c=e 1e 2…e n ，则有：
对应的基于LSFR 的加解密过程如图1.1.3-3和图1.1.3-4所示。

明文密文
图1.1.3-3
明文
图1.1.3-4
【实验步骤】
一、 RC4
选择RC4标签，进入RC4算法的实验面板。

(一) 加解密计算
(1) 加密
参照RC4实验原理，在明文栏输入所要加密的明文，在密钥栏输入相应的密钥，如图1.1.3-5所示。

图1.1.3-5
点击“加密”按钮，在密文文本框内会出现加密后的16进制密文，如图1.1.3-6所示。

图1.1.3-6
(2)解密
在密文栏相应的文本框内输入所要解密的16进制密文，在密钥栏输入相应的密钥，如图1.1.3-7所示。

图1.1.3-7
点击“解密”按钮，在明文文本框内就会出现解密后的明文，如图1.1.3-8所示。

图1.1.3-8
(二)扩展实验
(1)点击扩展实验下的“RC4扩展实验”按钮，进入RC4扩展实验窗体。

(2)初始化密钥
在密钥文本框中输入一个密钥短语，点击“初始化密钥”按钮，生成RC4流密码的S-box 初始值，如图1.1.3-9所示。

图1.1.3-9
(3)观察加密过程
在明文文本框中输入一个ASCII字符串，点击“加密”按钮，在密文文本框内就会出现加密后的16进制密文，如图1.1.3-10所示。

图1.1.3-10
注：也可以在明文文本框中输入16进制的数值。

(4)观察解密过程
点击“解密”按钮，在“解密后的明文”文本框内就会出现解密后的明文，如图1.1.3-11所示。

图1.1.3-11
注：为了比对解密后的明文与初始明文，可以点击“十六进制形式”按钮，即可。

(三)算法跟踪
选择RC4算法，在算法计算的相应区域输入明/密文和密钥；点击“跟踪加密”/“跟踪解密”按钮，进入调试器，选择对应的算法函数进行算法跟踪；跟踪完成后会自动返回实验界面显示计算结果；切换回调试器，停止调试，关闭调试器，不保存工程。

具体步骤可参照古典密码实验中实验步骤二。

二、LFSR
选择LFSR标签，进入LFSR流密码的实验面板。

(一)加密过程
设定线性移位寄存器的反馈函数。

事先选定一个线性移位寄存器的反馈函数，如
初始值（十六进制），如图1.1.3-12所示。

图1.1.3-12
在明文文本框中输入待加密的ASCII字符（也可以输入二进制串，由该文本框右边的提示而定），然后点击“加密”按钮，即可得到二进制密文码流，如图1.1.3-13所示。

图1.1.3-13
(二)解密过程
直接点击“解密”按钮，即可得到序列密码的解密结果，如图1.1.3-14所示。

图1.1.3-14
注：为了比对解密后的明文与初始明文，可以点击“二进制形式”按钮，即可。

(三)算法跟踪
点击“算法跟踪按钮”，进入调试器，选择对应的算法函数进行算法跟踪；跟踪完成后会自动返回实验界面显示计算结果；切换回调试器，停止调试，关闭调试器，不保存工程。

具体步骤可参照古典密码实验中实验步骤二。

【实验思考】
比较RC4与LSFR的异同
对照RC4和LSFR的原理，根据算法跟踪实验画出算法函数的主要流程图
计算LSFR实验中的线性反馈移位寄存器的周期
思考两个流密码算法的安全性和优缺点。