Salsa20是一種流加密演算法，由丹尼爾·J·伯恩斯坦提交到eSTREAM。它建立在基於add-rotate-xor（ARX）操作的偽隨機函式之上——32位元模加、互斥或（XOR）和迴圈移位元運算。Salsa20對映一個256位金鑰、一個64位元nonce以及一個64位元流位置到一個512位元的輸出（也存在一個128位元金鑰的版本）。這使Salsa20具有了不同尋常的優勢，使用者可以在恆定時間內尋求輸出流中的任何位置。它可以在現代x86處理器中提供約每4–14次迴圈周期一位元組的速度[4]，並具有合理的硬體效能。它沒有註冊專利，並且Bernstein還撰寫了幾篇對常見架構最佳化的公有領域實現。[5]
結構
在其內部，該演算法採用模加⊕（邏輯互斥或），32位元模加232 ⊞，和在一個內部十六個32位元word的state上進行恆定距離迴圈移位元運算（<<<）。只使用add-rotate-xor操作避免了軟體實現中計時攻擊的可能性。基本的Salsa20迴圈函式 R(a,b,c,k)是
b ⊕= (a ⊞ c) <<< k;
初始狀態是根據金鑰的8個word、流位置的2個word、nonce的兩個word（基本上是額外的流位置）和4個固定word製成。20輪迴圈混合製成16個word的串流加密法輸出。
一個quarter-round會使用四個word的輸入並製成四個word的輸出。內部的16-word狀態被布置為一個4x4矩陣；偶數迴圈應用quarter-round操作到四行的每項，奇數迴圈應用quarter-round操作到四列的每項。連續兩輪迴圈（一次行迴圈和一次列迴圈）被稱為double-round。
更精確的規範已在下方呈現為虛擬碼，儘管這種行/列模式更難看出⊞是模加232，<<<是左旋操作，及⊕是互斥或。x ⊕= y是x = x ⊕ y的縮寫。
x[ 4] ⊕= (x[ 0] ⊞ x[12])<<<7; x[ 9] ⊕= (x[ 5] ⊞ x[ 1])<<<7; x[14] ⊕= (x[10] ⊞ x[ 6])<<<7; x[ 3] ⊕= (x[15] ⊞ x[11])<<<7; x[ 8] ⊕= (x[ 4] ⊞ x[ 0])<<<9; x[13] ⊕= (x[ 9] ⊞ x[ 5])<<<9; x[ 2] ⊕= (x[14] ⊞ x[10])<<<9; x[ 7] ⊕= (x[ 3] ⊞ x[15])<<<9; x[12] ⊕= (x[ 8] ⊞ x[ 4])<<<13; x[ 1] ⊕= (x[13] ⊞ x[ 9])<<<13; x[ 6] ⊕= (x[ 2] ⊞ x[14])<<<13; x[11] ⊕= (x[ 7] ⊞ x[ 3])<<<13; x[ 0] ⊕= (x[12] ⊞ x[ 8])<<<18; x[ 5] ⊕= (x[ 1] ⊞ x[13])<<<18; x[10] ⊕= (x[ 6] ⊞ x[ 2])<<<18; x[15] ⊕= (x[11] ⊞ x[ 7])<<<18; x[ 1] ⊕= (x[ 0] ⊞ x[ 3])<<<7; x[ 6] ⊕= (x[ 5] ⊞ x[ 4])<<<7; x[11] ⊕= (x[10] ⊞ x[ 9])<<<7; x[12] ⊕= (x[15] ⊞ x[14])<<<7; x[ 2] ⊕= (x[ 1] ⊞ x[ 0])<<<9; x[ 7] ⊕= (x[ 6] ⊞ x[ 5])<<<9; x[ 8] ⊕= (x[11] ⊞ x[10])<<<9; x[13] ⊕= (x[12] ⊞ x[15])<<<9; x[ 3] ⊕= (x[ 2] ⊞ x[ 1])<<<13; x[ 4] ⊕= (x[ 7] ⊞ x[ 6])<<<13; x[ 9] ⊕= (x[ 8] ⊞ x[11])<<<13; x[14] ⊕= (x[13] ⊞ x[12])<<<13; x[ 0] ⊕= (x[ 3] ⊞ x[ 2])<<<18; x[ 5] ⊕= (x[ 4] ⊞ x[ 7])<<<18; x[10] ⊕= (x[ 9] ⊞ x[ 8])<<<18; x[15] ⊕= (x[14] ⊞ x[13])<<<18;
Salsa20在其輸入上實行20輪混合，然後添加最終陣列到原數陣列來獲得64位元組輸出塊。[6]但是，使用8輪和12輪的縮減迴圈的變體Salsa20/8和Salsa20/12也已分別被引入。這些變體被引入以補充原有的Salsa20，但不是取代它，甚至在eSTREAM的基準測量中比Salsa20表現更好[quantify]，儘管它相應有著較低的安全餘量。
eSTREAM選用
Salsa20已被選擇作為eSTREAM專案「Profile 1」（軟體）的第三階段設計，其在第二階段結束時得到了Profile 1中演算法中的最高投票得分。[7] Salsa20先前被選擇為Profile 1（軟體）的第二階段設計重點，並作為eSTREAM專案Profile 2（硬體）的第二階段，[8]但最終沒有晉級到「Profile 2」的第三階段，因為eSTREAM覺得這對於極其資源受限的硬體環境可能不是一個好的候選。[9]
密碼分析
截至2015年，沒有已知的對Salsa20/12或完整Salsa20/20的攻擊被發布；已知的最佳攻擊[3]是打破12輪或20輪迴圈中的8輪。
在2005年，Paul Crowley報告了一個對Salsa20/5的攻擊，預計時間複雜度2165，並贏得Bernstein的1000美金 「最有趣Salsa20密碼分析」獎勵。[10]此次攻擊及所有後續的攻擊都是基於截斷差分分析。在2006年，Fischer、Meier、Berbain、Biasse和Robshaw報告了一個對Salsa20/6的攻擊，預計時間複雜度2177，以及一個對Salsa20/7的相關金鑰攻擊，預計時間複雜度2217。[11]
在2007年，Tsunoo 等人公布了一個Salsa20的密碼分析，在2255次操作中，使用211.37對金鑰流，打破8/20輪來恢復256位的私鑰。[12]但是，這種攻擊似乎沒有比蠻力攻擊更好。
在2008年，Aumasson、Fischer、Khazaei、Meier和Rechberger報告了一個追對Salsa20/7的密碼分析攻擊，時間複雜度2153，並且他們報告了首個對Salsa20/8用預計時間複雜度2251的攻擊。此攻擊使用了對中性金鑰位進行截斷差分概率檢測的新概念。此攻擊可以打破使用128位元金鑰的Salsa20/7。[3]
在2012年，Aumasson 等人的攻擊使Shi 等人將Salsa20/7（128位元金鑰，時間複雜度2109）改進為Salsa20/8（256位金鑰，時間複雜度2250）。[13]
在2013年，Mouha和Preneel發布了一則證明[14]，敘述使用15輪迴圈的Salsa20在128位元的安全差分分析。具體來說，它沒有比2−130更高概率的差分特徵，因此差分分析會比用盡128位元金鑰更困難。
ChaCha變種
 The ChaCha quarter-round function. Four parallel copies make a round. | |
| 概述 | |
|---|---|
| 設計者 | 丹尼爾·J·伯恩斯坦 |
| 首次發布 | 2008 |
| 衍生自 | Salsa20 |
| 相關演算法 | Rumba20 |
| 密碼細節 | |
| 金鑰長度 | 128或256位 |
| 狀態長度 | 512 bits |
| 結構 | ARX |
| 重複回數 | 20 |
| 速度 | 3.95 cpb on an Intel Core 2 Duo[15] |
在2008年，丹尼爾·J·伯恩斯坦發布了一個密切相關的「ChaCha」密碼家族，其目的是增加每一輪的擴散以實現相同或稍微提升的效能。[16] Aumasson et al. paper也攻擊過ChaCha，實現了少一輪迴圈：256位ChaCha6有複雜性2139，ChaCha7有複雜性2248。128位元ChaCha6在2107以內，但據稱攻擊128位元的ChaCha7失敗。[3]
ChaCha替換了基本的Salsa20迴圈函式R(a,b,c,k)
b ⊕= (a ⊞ c) <<< k;
修改後的計算方法：
b ⊞= c; a ⊕= b; a <<<= k;
迴圈移位量也被更新。一個完整的quarter-round，QR (a,b,c,d)變為：
a ⊞= b; d ⊕= a; d <<<= 16; c ⊞= d; b ⊕= c; b <<<= 12; a ⊞= b; d ⊕= a; d <<<= 8; c ⊞= d; b ⊕= c; b <<<= 7;
這除了使其在雙運算元指令集（如x86）上更有效率，也使其在每次quarter-round中更新每個word兩次。
在事實上，8輪的兩次迴圈允許一些最佳化。[17]此外，輸入格式可以被重新布置，以支援高效的SSE實現最佳化，這對Salsa20已被發現。相比逐行、逐列下移置換，還可以沿對角線進行。[18]這樣ChaCha中的兩輪迴圈是：
QR (0, 4, 8, 12) QR (1, 5, 9, 13) QR (2, 6, 10, 14) QR (3, 7, 11, 15) QR (0, 5, 10, 15) QR (1, 6, 11, 12) QR (2, 7, 8, 13) QR (3, 4, 9, 14)
其中的數字是十六個32位元state word。ChaCha20使用兩輪10次迭代。[19]
ChaCha是BLAKE雜湊演算法的基礎，NIST雜湊演算法競爭的一個入圍者，並且繼任者BLAKE2調整為更高的速度。它還定義了一個使用16個64位元word（state的1024位元）的變種，具有相應調整的迴圈移位常數。
Google選擇了伯恩斯坦設計的，帶Poly1305訊息鑑別碼的ChaCha20（即ChaCha20-Poly1305），作為OpenSSL中RC4的替代品，用以完成網際網路的安全通訊。[20]Google最初實現了HTTPS (TLS/SSL)流量在Chrome瀏覽器（Android手機版）與Google網站之間的通訊。[21]
不久之後，Google在TLS中採用它，ChaCha20-Poly1305演算法也以chacha20-poly1305@openssh.com成為OpenSSH中的一個新密碼套件。[22][23]後來，通過編譯時選項避免它依賴於OpenSSL也成為可能。[24]
ChaCha20也被用在OpenBSD[25]和NetBSD[26]作業系統中的arc4random亂數生成器，取代已經脆弱的RC4，在DragonFly BSD[27]中核心的CSPRNG子程式中也是如此。[28][29]
ChaCha20已經在RFC 7539中標準化。它在IKE和IPsec中的使用已在RFC 7634中標準化。在RFC 7905中，ChaCha20-Poly1305已經被加入TLS擴充標準。
另見
參考資料
外部連結
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