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ChaCha20 算法详解_chacha20 online

网友: 技术文档 2025-08-08 10:36:26

1 核心参数与基本结构

  • 密钥长度：256 位（32 字节）
  • Nonce 长度：96 位（12 字节，分两部分使用）
  • 计数器：64 位（8 字节，初始值通常为 0，加密时递增）
  • 块大小：512 位（64 字节），每次生成一个块的密钥流
  • 轮数：20 轮（由 10 次 “列轮” 和 10 次 “行轮” 交替组成）

2 算法核心原理

ChaCha20 是一种基于ARX 结构（Addition-Rotation-XOR） 的流密码，其核心是通过迭代操作生成伪随机密钥流，再与明文进行异或加密。与 AES 的 SP 网络（替代 - 置换）不同，ChaCha20 使用简单的算术和位运算，在软件实现上更高效

3 加密流程详解

3.1  初始状态矩阵（16×32 位字）

ChaCha20 的初始状态是一个 4×4 的 32 位字矩阵（共 16 个字，64 字节），由以下部分组成：

常数（4 个字）：固定值\"expand 32-byte k\"的 ASCII 编码（以小端序存储）：

0x61707865, 0x3320646e, 0x79622d32, 0x6b206574

密钥（8 个字）：256 位密钥被拆分为 8 个 32 位字，填充到矩阵的第 4-11 位置。

计数器（2 个字）：64 位计数器，初始值通常为 0，以小端序存储在矩阵的第 12-13 位置。

Nonce（4 个字）：96 位随机数，分两部分：

  • 前 32 位（1 个字）：通常设为 0（或根据协议规定使用）。
  • 后 64 位（2 个字）：真正的随机值，每次加密必须唯一，以小端序存储在矩阵的第 14-15 位置。

示例初始状态矩阵（以 32 位字表示）：

[

        c0, c1, c2, c3, // 常数

        k0, k1, k2, k3, // 密钥（前半部分）

        k4, k5, k6, k7, // 密钥（后半部分）

        counter0, counter1, // 计数器（初始为0）
        nonce0, nonce1, nonce2 // Nonce（96位）

]

3.2 四分之一轮（Quarter Round）操作

ChaCha20 的核心是四分之一轮（QR）函数，它对 4 个 32 位字进行操作：

def quarter_round(a, b, c, d): a = (a + b) & 0xFFFFFFFF d = d ^ a d = ((d <> 16)) & 0xFFFFFFFF # 循环左移16位 c = (c + d) & 0xFFFFFFFF b = b ^ c b = ((b <> 20)) & 0xFFFFFFFF # 循环左移12位 a = (a + b) & 0xFFFFFFFF d = d ^ a d = ((d <> 24)) & 0xFFFFFFFF # 循环左移8位 c = (c + d) & 0xFFFFFFFF b = b ^ c b = ((b <> 25)) & 0xFFFFFFFF # 循环左移7位 return a, b, c, d

四分之一轮通过加法、异或和循环移位实现数据混淆，这三个操作的组合提供了良好的扩散性和非线性。

3.3 20 轮迭代（10 次双轮）

ChaCha20 的 20 轮由10 次双轮（Double Round） 组成，每次双轮包含:

3.3.1 列轮（Column Round）：对矩阵的每一列应用四分之一轮：

QR(0, 4, 8, 12)

QR(1, 5, 9, 13)

QR(2, 6, 10, 14)

QR(3, 7, 11, 15)

3.3.2 行轮（Row Round）：对矩阵的每一行（循环移位后）应用四分之一轮

QR(0, 5, 10, 15)

QR(1, 6, 11, 12)

QR(2, 7, 8, 13)

QR(3, 4, 9, 14)

3.3.3 完整 20 轮迭代：

def chacha20_block(state): working_state = state.copy() # 复制初始状态 for _ in range(10): # 10次双轮（共20轮） # 列轮 working_state[0], working_state[4], working_state[8], working_state[12] = quarter_round(working_state[0], working_state[4], working_state[8], working_state[12]) working_state[1], working_state[5], working_state[9], working_state[13] = quarter_round(working_state[1], working_state[5], working_state[9], working_state[13]) working_state[2], working_state[6], working_state[10], working_state[14] = quarter_round(working_state[2], working_state[6], working_state[10], working_state[14]) working_state[3], working_state[7], working_state[11], working_state[15] = quarter_round(working_state[3], working_state[7], working_state[11], working_state[15]) # 行轮 working_state[0], working_state[5], working_state[10], working_state[15] = quarter_round(working_state[0], working_state[5], working_state[10], working_state[15]) working_state[1], working_state[6], working_state[11], working_state[12] = quarter_round(working_state[1], working_state[6], working_state[11], working_state[12]) working_state[2], working_state[7], working_state[8], working_state[13] = quarter_round(working_state[2], working_state[7], working_state[8], working_state[13]) working_state[3], working_state[4], working_state[9], working_state[14] = quarter_round(working_state[3], working_state[4], working_state[9], working_state[14]) # 将迭代后的状态与初始状态相加 for i in range(16): working_state[i] = (working_state[i] + state[i]) & 0xFFFFFFFF # 将状态展开为512位（64字节）的密钥流块 return bytes((x >> (8 * i)) & 0xFF for x in working_state for i in range(4))

3.3.4 密钥流生成与加密

  • 计数器递增：每次生成一个 512 位块后，计数器加 1（小端序）。例如，第一个块计数器为 0，第二个块为 1，依此类推。
  • 异或加密：将明文按块分割，每块与对应生成的密钥流块进行异或操作，得到密文。

 3.3.5 示例加密过程

def chacha20_encrypt(key, nonce, counter, plaintext): # 初始化状态（省略具体实现） state = initialize_state(key, nonce, counter) ciphertext = bytearray() for i in range(0, len(plaintext), 64): # 生成当前块的密钥流 key_stream = chacha20_block(state) # 与明文块异或 block = plaintext[i:i+64] ciphertext.extend(a ^ b for a, b in zip(block, key_stream)) # 计数器加1 state[12] = (state[12] + 1) & 0xFFFFFFFF if state[12] == 0: state[13] = (state[13] + 1) & 0xFFFFFFFF # 处理溢出 return bytes(ciphertext)

4 安全性分析

  1. 抗密码分析：经过 20 轮迭代，ChaCha20 对差分攻击、线性攻击等经典密码分析方法具有很强的抵抗力。目前没有已知的实际攻击能在低于 2²⁵⁶复杂度下破解。
  2. Nonce 唯一性：必须确保每次加密使用不同的 Nonce（与密钥组合），否则会导致严重的安全漏洞（如密钥流重复）。
  3. 密钥长度：256 位密钥提供足够的安全性，抵抗暴力破解。
  4. 抗侧信道攻击：由于操作简单且执行时间固定，ChaCha20 天然抵抗计时攻击和功耗分析等侧信道攻击。

5 变种与优化

  • ChaCha12/8：分别执行 12 轮或 8 轮迭代的简化版本，速度更快但安全性稍低，适用于对性能要求极高的场景。
  • ChaCha20-Poly1305：结合 ChaCha20 加密和 Poly1305 消息认证码的 AEAD（Authenticated Encryption with Associated Data）方案，提供加密和认证双重保护，被广泛应用于现代通信协议（如 TLS 1.3）。

6. 应用场景

  • TLS 1.3：作为备选加密算法，尤其在移动设备和弱硬件环境中表现优异。
  • WireGuard：现代 VPN 协议，使用 ChaCha20-Poly1305 提供高效加密。
  • SSH：部分实现支持 ChaCha20-Poly1305 作为加密方案。
  • 区块链：一些加密货币项目使用 ChaCha20 保护私钥。

7. 与 AES 的对比

特性 ChaCha20 AES-256 结构 ARX（加法 - 移位 - 异或） SP 网络（替代 - 置换） 密钥长度 256 位 256 位 轮数 20 轮（或简化为 12/8 轮） 14 轮 硬件友好性 软件优化（无硬件加速时更快） 硬件优化（有 AES-NI 指令） 抗侧信道攻击 优异（恒定时间操作） 需特殊实现（易受侧信道攻击） 应用场景 移动设备、嵌入式系统 服务器、高性能场景
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