Stream Ciphers and RC4 Algorithm Explained in Hindi & English | स्ट्रीम सिफर और आरसी4 एल्गोरिद्म क्रिप्टोग्राफी में (Complete Notes for Data Science & Information Security Students)

स्ट्रीम सिफर और आरसी4 एल्गोरिद्म क्रिप्टोग्राफी में (Stream Ciphers and RC4 Algorithm in Cryptography)

परिचय:

स्ट्रीम सिफर (Stream Cipher) क्रिप्टोग्राफी का एक प्रकार है जो डेटा को बिट या बाइट के रूप में एक सतत धारा (Stream) में एन्क्रिप्ट करता है। यह ब्लॉक सिफर से अलग होता है, जहाँ डेटा को निश्चित आकार के ब्लॉकों में विभाजित करके एन्क्रिप्ट किया जाता है।

स्ट्रीम सिफर का उपयोग तब किया जाता है जब डेटा लगातार प्रसारित किया जा रहा हो, जैसे कि रीयल-टाइम कम्युनिकेशन, वीडियो स्ट्रीमिंग, नेटवर्क एन्क्रिप्शन आदि में।

सबसे प्रसिद्ध स्ट्रीम सिफर एल्गोरिद्म में से एक है — RC4 (Rivest Cipher 4), जिसे Ronald Rivest ने 1987 में विकसित किया था।

स्ट्रीम सिफर की प्रमुख विशेषताएँ:

डेटा को एक बिट या बाइट के रूप में एन्क्रिप्ट किया जाता है।
Encryption और Decryption प्रक्रियाएँ समान होती हैं।
Key Stream का निर्माण Pseudorandom Generator द्वारा किया जाता है।
तेज़ और हल्का (Lightweight) एल्गोरिद्म — रीयल-टाइम सिस्टम के लिए उपयुक्त।

ब्लॉक सिफर और स्ट्रीम सिफर में अंतर:

पैरामीटर	ब्लॉक सिफर	स्ट्रीम सिफर
डेटा प्रोसेसिंग	ब्लॉकों में	बिट्स/बाइट्स में
गति	धीमी	तेज़
एप्लिकेशन	डेटा स्टोरेज	डेटा ट्रांसमिशन
सुरक्षा	उच्च	मध्यम से उच्च
उदाहरण	AES, DES	RC4, Salsa20

RC4 एल्गोरिद्म का परिचय:

RC4 (Rivest Cipher 4) एक प्रसिद्ध और ऐतिहासिक स्ट्रीम सिफर एल्गोरिद्म है। इसे 1987 में Ronald Rivest ने विकसित किया था और यह RSA Security द्वारा व्यापारिक रूप से उपयोग किया गया।

RC4 का उपयोग कई प्रोटोकॉल्स में किया गया जैसे:

SSL (Secure Socket Layer)
WEP (Wired Equivalent Privacy)
WPA (Wi-Fi Protected Access)
HTTPS और VPNs

RC4 की प्रमुख विशेषताएँ:

Algorithm Type: Stream Cipher
Key Size: 40 से 2048 bits तक
Key Stream Generation: Pseudorandom Stream
Symmetric Encryption: एक ही कुंजी से Encryption और Decryption
Invented By: Ronald Rivest (1987)

RC4 का कार्य सिद्धांत:

RC4 एल्गोरिद्म दो मुख्य चरणों में काम करता है:

Key Scheduling Algorithm (KSA)
Pseudo-Random Generation Algorithm (PRGA)

1️⃣ Key Scheduling Algorithm (KSA):

KSA का उपयोग 0 से 255 तक के बाइट्स की एक शृंखला S को प्रारंभिक Key के आधार पर पुनर्व्यवस्थित करने के लिए किया जाता है।

For i = 0 to 255:
    S[i] = i
j = 0
For i = 0 to 255:
    j = (j + S[i] + K[i mod keylength]) mod 256
    Swap(S[i], S[j])

2️⃣ Pseudo-Random Generation Algorithm (PRGA):

PRGA इस S array से Key Stream उत्पन्न करता है, जो Plaintext के साथ XOR होकर Ciphertext बनाता है।

i = 0
j = 0
While (data not finished):
    i = (i + 1) mod 256
    j = (j + S[i]) mod 256
    Swap(S[i], S[j])
    t = (S[i] + S[j]) mod 256
    K = S[t]
    Output K

Encryption और Decryption प्रक्रिया:

RC4 में Encryption और Decryption दोनों समान होते हैं क्योंकि यह XOR ऑपरेशन पर आधारित है।

Ciphertext = Plaintext XOR KeyStream
Plaintext = Ciphertext XOR KeyStream

उदाहरण:

Key: “Key” Plaintext: “HELLO” Key Stream: “EB9F7781B6” Ciphertext (Hex): “AFCBB4E5D9”

RC4 के लाभ:

तेज़ और सरल कार्यप्रणाली।
कम संसाधनों में कुशल।
रियल-टाइम कम्युनिकेशन और नेटवर्क सुरक्षा के लिए उपयुक्त।

RC4 की सीमाएँ:

Key Initialization में कमजोरियाँ।
WEP और WPA जैसे पुराने प्रोटोकॉल्स में कमजोर सुरक्षा।
अब AES-CTR और ChaCha20 जैसे आधुनिक एल्गोरिद्म RC4 को Replace कर चुके हैं।

RC4 के अनुप्रयोग:

SSL/TLS और HTTPS एन्क्रिप्शन।
VPN और नेटवर्क सुरक्षा।
पुराने Wi-Fi सुरक्षा मानकों (WEP/WPA)।
फाइल और डिस्क एन्क्रिप्शन।

ब्लॉक सिफर बनाम स्ट्रीम सिफर तुलना:

पैरामीटर	ब्लॉक सिफर	स्ट्रीम सिफर
Processing Unit	Fixed Block	Continuous Stream
Latency	High	Low
Encryption Speed	Moderate	Fast
Applications	Storage	Network Communication

निष्कर्ष:

RC4 एल्गोरिद्म स्ट्रीम सिफर तकनीक का एक प्रमुख उदाहरण है जिसने नेटवर्क सुरक्षा में लंबे समय तक महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। हालांकि अब इसे आधुनिक एल्गोरिद्म द्वारा प्रतिस्थापित किया गया है, लेकिन RC4 की सरलता और अवधारणा क्रिप्टोग्राफी में शिक्षण और अनुसंधान के लिए आज भी अमूल्य है।

Stream Ciphers and RC4 Algorithm Explained (For Data Science & Information Security Students)

Introduction:

Stream Ciphers encrypt data one bit or byte at a time, making them ideal for applications where data is transmitted continuously — such as real-time communications and network encryption. RC4 is the most well-known stream cipher, created by Ronald Rivest in 1987.

Key Features of Stream Ciphers:

Encrypts continuous data streams.
Uses pseudorandom key stream generation.
High speed and efficiency.
Same algorithm for encryption and decryption.

Difference Between Block and Stream Ciphers:

Aspect	Block Cipher	Stream Cipher
Data Unit	Block	Bit/Byte
Speed	Slower	Faster
Suitability	Data storage	Data transmission
Examples	AES, DES	RC4, Salsa20

RC4 Algorithm Overview:

RC4 is a symmetric key stream cipher that generates a pseudorandom key stream and XORs it with the plaintext. It was widely used in SSL, WEP, and WPA protocols before being deprecated for security flaws.

Working Process:

Key Scheduling Algorithm (KSA): Initializes and scrambles the state array (S).
Pseudo-Random Generation Algorithm (PRGA): Generates key stream bytes and XORs them with plaintext.

KSA Example:

For i = 0 to 255:
    S[i] = i
For i = 0 to 255:
    j = (j + S[i] + Key[i mod key_length]) mod 256
    Swap(S[i], S[j])

Encryption/Decryption:

Ciphertext = Plaintext XOR KeyStream
Plaintext = Ciphertext XOR KeyStream

Advantages:

Fast and simple implementation.
Low memory usage and high efficiency.
Ideal for network protocols and embedded devices.

Limitations:

Weak key initialization (KSA bias).
Vulnerable to key reuse and correlation attacks.
Deprecated in modern standards (replaced by AES, ChaCha20).

Applications:

Old SSL/TLS systems.
WEP and WPA wireless encryption.
Secure data streaming and VPNs.

Conclusion:

Stream ciphers like RC4 are historically significant in cryptography. They introduced the concept of fast, continuous encryption, paving the way for modern algorithms like ChaCha20 and AES in CTR mode. Despite its deprecation, RC4 remains an important learning model for stream cipher design and key stream generation mechanisms.