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RC4 加密与密钥链技术文档

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概述

本文档详细描述了一个基于 RC4 流加密算法 和动态密钥生成机制（KeyChain）的 Python 实现。该系统支持数据加解密、自动密钥轮换、时间敏感的密钥管理，并具备一定的容错能力以应对时钟偏差。

主要特性包括：

• 使用 RC4 算法进行流加密
• 引入随机盐值（salt）和 SHA-1 密钥扩展增强安全性
• 支持 Base64 编码输出
• 动态密钥生成（基于时间窗口）
• 容忍一定时间偏移的解密尝试（前向/后向周期补偿）

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依赖模块

import time
import datetime
import random
import base64
from hashlib import sha1

注：random 模块当前未使用，可能是预留或冗余导入。

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核心类说明

1. RC4 类 —— RC4 加密器

初始化方法：__init__(self, data_coding='utf8')

初始化 RC4 加密实例。

参数	类型	描述
data_coding	str	数据编码格式，默认为 'utf8'，用于字符串与字节之间的转换

属性：

• bcoding: 内部字节编码，固定为 'iso-8859-1'（确保字节范围兼容）
• dcoding: 外部数据编码（默认 UTF-8）
• salt: 固定盐值 b'AFUqx9WZuI32lnHk'（16 字节），用于密钥强化

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私有方法：_crypt(self, data: bytes, key: bytes) -> bytes

执行标准 RC4 加密/解密操作。

参数：

• data: 待处理的字节数据
• key: 密钥（bytes）

返回：

• 加密或解密后的字节串（经 'iso-8859-1' 编码）

算法流程：

1. 初始化长度为 256 的 S-box。
2. 使用密钥调度算法（KSA）打乱 S-box。
3. 使用伪随机生成算法（PRGA）逐字节异或加密。

⚠️ 注意：此实现中返回的是 .join(chr(...)) 后再 .encode('iso-8859-1')，需注意字符边界问题。

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方法：encode_bytes(self, bdata: bytes, key: bytes) -> bytes

对字节数据执行带盐值的加密。

流程：

1. 计算密钥摘要：sha1(key + self.salt).digest()
2. 使用上述密钥对 bdata 执行 _crypt
3. 将原始 salt 前缀附加到密文前（共 16 字节）

返回：

• salt + encrypted_data（bytes）

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方法：encode(self, data: str/bytes, key: str, encode=base64.b64encode) -> str

高层加密接口，支持字符串输入和最终编码。

参数：

• data: 明文（字符串或字节）
• key: 密钥（字符串）
• encode: 可选编码函数（如 base64.b64encode），设为 None 则不编码

行为：

• 若 data 是字符串，则按 dcoding 编码为字节
• 调用 encode_bytes 加密
• 若指定 encode 函数，则对结果进行编码（如 Base64）
• 返回编码后的字符串（UTF-8 解码）

✅ 示例：

rc = RC4()
code = rc.encode("hello", "mykey")

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方法：decode_bytes(self, data: bytes, key: bytes) -> bytes

解密由 encode_bytes 生成的数据。

步骤：

1. 提取前 16 字节作为 salt（但实际未使用！应为 bug？）
2. 使用 sha1(key + self.salt) 生成密钥
3. 对剩余部分调用 _crypt 解密

❗⚠️ Bug 提示：虽然提取了 salt，但在密钥生成中仍使用固定的 self.salt，而非从输入读取的 salt。这导致无法正确处理不同 salt 的情况。

返回：

• 解密后的原始数据（bytes）

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方法：decode(self, data: str/bytes, key: str, decode=base64.b64decode) -> str

高层解密接口。

参数：

• data: 已加密并可选编码过的数据
• key: 解密密钥
• decode: 解码函数（默认 Base64）

行为：

• 若 data 是字符串，先用 dcoding 编码成字节
• 若 decode 存在，先解码（如 Base64 解码）
• 调用 decode_bytes 解密
• 结果以 dcoding 解码为字符串返回

✅ 示例：

text = rc.decode(code, "mykey")

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2. KeyChain 类 —— 时间同步密钥链

提供基于时间窗口的动态密钥管理和自动密钥匹配功能，适用于分布式环境下的安全通信。

初始化：__init__(seed_str, crypter=None, keylen=23, period=600, threshold=60, time_delta=0)

参数	类型	默认值	说明
seed_str	str/bytes	-	种子字符串，用于派生密钥
crypter	RC4 实例	None	自定义加密器，若无则创建默认 RC4
keylen	int	23	生成密钥的字符长度
period	int	600	时间窗口周期（秒），即每 10 分钟换一次密钥
threshold	int	60	容差阈值（秒），判断是否接近周期边界
time_delta	int	0	时间偏移量（可用于调试或校准）

内部属性：

• keypool: 缓存已生成的密钥 {indicator: key}
• timezone: 设置为 GMT 时区
• indicator: 当前时间所属的时间段起点（如每 600 秒一个区块）

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方法：get_timestamp(self) -> int

获取当前 Unix 时间戳（减去 time_delta）

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方法：get_indicator(ts=None) -> int

计算时间指示器（所在周期的起始时间）

例如：

• period=600 → 每 10 分钟一个周期
• ts=1712345678 → indicator = (1712345678 // 600) * 600

返回：

• 当前时间所属周期的起始时间戳

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方法：genKey(indicator) -> bytes

根据 indicator 从 seed_str 生成唯一密钥。

算法逻辑：

1. 若缓存中已有对应密钥，直接返回
2. 否则使用循环算法从 seed_str 中按规则选取字符构造密钥：
   • 初始值 v = indicator
   • 每次取 j = v % keylen 作为索引
   • 从 seed_str[j] 取字符追加
   • 更新 v = v - (j + k1)*m + keylen
   • 直到生成 keylen 长度的密钥
3. 缓存密钥，并清理过期条目（早于 indicator - period 的）

🔐 安全性：密钥依赖时间和种子，难以预测

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方法：encode_bytes(bdata: bytes) -> bytes

使用当前时间对应的密钥加密数据。

流程：

1. 获取当前 indicator
2. 生成对应密钥 key
3. 构造明文：key + bdata（将密钥本身也加密传输）
4. 使用 crypter.encode_bytes(data, key) 加密

📦 输出结构：salt + encrypted(key + bdata)

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方法：decode_bytes(data: bytes) -> bytes or None

智能解密：尝试用当前、上一周期、下一周期的密钥解密。

步骤：

1. 获取当前 indicator 和密钥
2. 尝试解密
3. 验证解密后数据前缀是否等于密钥（完整性校验）
4. 如果失败且接近周期底部（即将切换），尝试上一周期密钥
5. 如果接近顶部（刚过切换点），尝试下一周期密钥

返回：

• 成功：解密后的原始数据（不含密钥头）
• 失败：None

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方法：encode(text: str) -> bytes

加密字符串版本，内部转为 UTF-8 字节后调用 encode_bytes

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方法：decode(data: bytes) -> str or None

解密并返回 UTF-8 字符串；若失败返回 None

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辅助函数

password(pwdtxt: str, key=pwdkey) -> str or None

使用固定密钥对密码文本加密并验证。

步骤：

1. 加密 pwdtxt
2. 立即解密验证一致性
3. 一致则返回加密结果（Base64 编码字符串），否则返回 None

✅ 用途：确保加密过程可靠

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unpassword(code: str, key=pwdkey) -> str or None

解密由 password() 生成的密文。

返回：

• 明文字符串 或 None

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使用示例

if __name__ == '__main__':
    data = b"231r3 feregrenerjk gkht324g8924gnfw ;ejkvwkjerv"
    key = b'123456'
    
    rc4 = RC4()
    kc = KeyChain('in the heaven, we are equal', rc4)

    print("原始数据:", data)

    # 加密
    encoded_data = kc.encode_bytes(data)
    print("加密后数据:", encoded_data, "长度:", len(encoded_data))

    # 解密
    decoded_data = kc.decode_bytes(encoded_data)
    print("解密数据:", decoded_data)
    print("解密成功:", decoded_data == data)

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安全性分析

特性	评估
RC4 算法	已知存在弱点（如偏差输出），不推荐用于高安全场景
Salt 固定	self.salt 固定可能导致重放攻击风险
密钥派生	自定义算法非标准，缺乏密码学证明
密钥包含在明文中加密	有一定防篡改作用，但仍可能被暴力破解
时间同步机制	适合短期令牌、API 认证等场景
Base64 支持	方便文本传输

✅ 推荐用途：轻量级认证令牌、会话加密、临时凭证
❌ 不推荐：金融交易、长期存储加密

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已知问题与改进建议

问题	描述	建议
❗ Salt 未真正参与密钥派生	decode_bytes 忽略传入 salt，始终用固定 salt	应使用传入 salt 生成密钥
⚠️ _crypt 返回方式不安全	使用 chr() 可能超出 ASCII 范围引发错误	改为直接构建字节数组
⚠️ RC4 已过时	存在已知漏洞（如 WEP 攻击）	替换为 AES-CTR 或 ChaCha20
🔒 自定义密钥生成算法	非标准化，可能存在碰撞或弱密钥	使用 HMAC-SHA256 等标准 KDF
💤 时间依赖性强	严重依赖系统时间准确性	增加强时间验证或 NTP 校准提示

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总结

本模块实现了一套基于 RC4 和时间窗口密钥链的安全通信原型，具备以下优点：

• 简洁易集成
• 支持自动密钥轮换
• 具备时间容忍机制
• 可用于短生命周期数据保护

建议在低风险场景中使用，并考虑升级至更现代的加密算法（如 AES-GCM 或 ChaCha20-Poly1305）以提升安全性。

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文档版本：v1.0
最后更新：2025-04-05