RC4(Rivest Cipher 4) 대칭키 암호화 알고리즘

RC4(Rivest Cipher 4) 대칭키 암호화 알고리즘

안녕하세요, '소프트웨어 공장'에 오신 것을 환영합니다. 오늘은 대칭키 암호화 알고리즘 중에서도 대표적인 스트림 암호 방식인 RC4에 대해 알아보겠습니다. RC4는 속도와 구현의 간단함 때문에 한때 매우 널리 사용되었으며, 여전히 많은 응용 분야에서 활용되고 있습니다. 이 포스팅에서는 RC4의 개념을 살펴보고, JAVA와 Linux C 언어로 구현하는 방법을 설명하겠습니다.

RC4 개요

RC4(Rivest Cipher 4)는 로널드 리베스트가 1987년에 설계한 스트림 암호화 알고리즘입니다. RC4는 속도가 빠르고 구현이 간단하다는 특징이 있어 과거 SSL/TLS와 같은 많은 프로토콜에서 사용되었습니다. 하지만 보안상 여러 취약점이 발견되면서 현재는 새로운 시스템에 사용되지 않는 것이 권장됩니다.

RC4는 다음과 같은 두 가지 주요 과정으로 구성됩니다:

1. 키 스케줄링 알고리즘(KSA, Key Scheduling Algorithm): 초기 상태 배열을 설정하고, 주어진 키를 사용하여 상태 배열을 섞습니다.
2. 의사 난수 생성 알고리즘(PRGA, Pseudo-Random Generation Algorithm): 상태 배열을 이용하여 키 스트림을 생성합니다. 이 키 스트림을 평문과 XOR 연산하여 암호문을 생성합니다.

RC4 알고리즘 동작 과정

RC4는 바이트 단위로 동작하며, 상태 배열 S는 0에서 255까지의 숫자로 초기화됩니다. 이 배열은 키 스케줄링 과정을 통해 섞인 후, 의사 난수 생성 알고리즘을 사용하여 평문과 XOR 연산할 키 스트림을 생성합니다. 자세한 동작 과정은 다음과 같습니다.

1. KSA
   • 상태 배열 S를 0부터 255까지 순차적으로 초기화합니다.
   • 배열 S를 주어진 키로 섞습니다.
2. PRGA
   • 상태 배열 S를 이용해 키 스트림을 생성하고, 평문과 XOR 연산을 통해 암호문을 만듭니다.

이제 각 과정을 코드로 구현해 보겠습니다.

JAVA로 RC4 구현하기

다음은 JAVA로 RC4 알고리즘을 구현한 예제입니다. 이 코드는 간단한 입력 평문을 암호화하고, 다시 복호화하는 기능을 제공합니다.

public class RC4 {
    private byte[] S = new byte[256];
    private byte[] T = new byte[256];
    private int keyLength;

    public RC4(byte[] key) {
        keyLength = key.length;
        for (int i = 0; i < 256; i++) {
            S[i] = (byte) i;
            T[i] = key[i % keyLength];
        }

        int j = 0;
        for (int i = 0; i < 256; i++) {
            j = (j + S[i] + T[i]) & 0xFF;
            byte temp = S[i];
            S[i] = S[j];
            S[j] = temp;
        }
    }

    public byte[] encrypt(byte[] plaintext) {
        int i = 0, j = 0;
        byte[] ciphertext = new byte[plaintext.length];
        for (int n = 0; n < plaintext.length; n++) {
            i = (i + 1) & 0xFF;
            j = (j + S[i]) & 0xFF;

            byte temp = S[i];
            S[i] = S[j];
            S[j] = temp;

            int t = (S[i] + S[j]) & 0xFF;
            ciphertext[n] = (byte) (plaintext[n] ^ S[t]);
        }
        return ciphertext;
    }

    public static void main(String[] args) {
        String key = "SecretKey";
        String plaintext = "Hello, RC4!";

        RC4 rc4 = new RC4(key.getBytes());
        byte[] ciphertext = rc4.encrypt(plaintext.getBytes());
        System.out.println("Ciphertext: " + new String(ciphertext));

        RC4 rc4Decrypt = new RC4(key.getBytes());
        byte[] decrypted = rc4Decrypt.encrypt(ciphertext);
        System.out.println("Decrypted: " + new String(decrypted));
    }
}

위 코드에서는 encrypt 메서드를 통해 평문을 암호화하고 복호화합니다. RC4의 특징으로 인해 동일한 메서드를 사용하여 암호문을 다시 평문으로 복호화할 수 있습니다.

Linux C 언어로 RC4 구현하기

이제 Linux 환경에서 사용할 수 있는 C 언어로 RC4를 구현해보겠습니다. 이 코드는 RC4의 핵심 기능을 수행하며, 평문을 암호화하고 다시 복호화하는 역할을 합니다.

#include <stdio.h>
#include <string.h>

typedef unsigned char byte;

void rc4_init(byte *S, byte *key, int key_length) {
    int i, j = 0;
    byte temp;
    for (i = 0; i < 256; i++) {
        S[i] = i;
    }
    for (i = 0; i < 256; i++) {
        j = (j + S[i] + key[i % key_length]) % 256;
        temp = S[i];
        S[i] = S[j];
        S[j] = temp;
    }
}

void rc4_crypt(byte *S, byte *data, int data_length) {
    int i = 0, j = 0, k;
    byte temp;
    for (k = 0; k < data_length; k++) {
        i = (i + 1) % 256;
        j = (j + S[i]) % 256;

        temp = S[i];
        S[i] = S[j];
        S[j] = temp;

        data[k] ^= S[(S[i] + S[j]) % 256];
    }
}

int main() {
    byte S[256];
    byte key[] = "SecretKey";
    byte data[] = "Hello, RC4!";
    int data_length = strlen((char *)data);

    rc4_init(S, key, strlen((char *)key));
    rc4_crypt(S, data, data_length);
    printf("Ciphertext: %s\n", data);

    // 복호화를 위해 다시 초기화
    rc4_init(S, key, strlen((char *)key));
    rc4_crypt(S, data, data_length);
    printf("Decrypted: %s\n", data);

    return 0;
}

이 C 코드에서는 rc4_init 함수로 상태 배열 S를 초기화하고, rc4_crypt 함수로 암호화를 수행합니다. RC4의 대칭적인 특성 덕분에 동일한 rc4_crypt 함수를 사용하여 암호문을 복호화할 수 있습니다.

RC4의 보안 문제

RC4는 과거에 널리 사용되었지만, 현재는 여러 보안 취약점으로 인해 사용이 권장되지 않습니다. 특히 초기 키 스트림 바이트에서의 편향 문제와 반복된 키 사용 시의 취약점이 있습니다. 이러한 문제 때문에 SSL/TLS 프로토콜에서도 RC4는 더 이상 사용되지 않습니다. 그러나 RC4는 알고리즘의 학습과 스트림 암호 방식의 이해를 위해 여전히 중요한 예시로 다루어집니다.

결론

오늘은 RC4 알고리즘의 기본 개념과 구현 방법에 대해 알아보았습니다. JAVA와 Linux C 언어로 각각 구현해 보았으며, RC4의 작동 원리를 직접 코드로 경험할 수 있었습니다. RC4는 보안상 취약점이 있어 현재는 사용되지 않지만, 스트림 암호화 방식의 이해를 위해 좋은 학습 자료가 됩니다.