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Salsa20

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Salsa20
Salsa的quarter-round函式，每四組形成一輪。
概述
設計者丹尼爾·J·伯恩斯坦
首次發布2007年（2005年設計）[1]
繼承演算法ChaCha
相關演算法Rumba20
認證eSTREAM（英語：eSTREAM）密碼組合
密碼細節
金鑰長度128或256位
狀態長度512位元
結構ARX
重複回數20
速度3.91 cpb（英語：每字节周期）於Intel Core 2 Duo[2]
最佳公開破解
2008年的密碼分析中，在2251次操作中利用231對金鑰流，嘗試恢復256位的金鑰，破解了20輪中的8輪 。[3]

Salsa20是一種流加密演算法，由丹尼爾·J·伯恩斯坦提交到eSTREAM（英語：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]

一個相關的密碼演算法ChaCha，具有類似的特點，但有不同的迴圈移位函式，已在2008年由伯恩斯坦發布。

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

ChaCha
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（英語：每字节周期） 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。

ChaCha20

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[email protected]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。

若CPU或軟體不支援AES指令集，ChaCha20可提供比AES更好的效能。

WireGuard協定使用了帶Poly1305訊息鑒別碼的ChaCha20[30]。

另見

參考資料

  1. ^ Daniel J. Bernstein. The Salsa20 family of stream ciphers (PDF). 2007-12-24 [2016-05-07]. （原始內容 (PDF)存檔於2016-06-11）. 
  2. ^ Daniel J. Bernstein. Salsa 20 speed; Salsa20 software. 2013-05-16 [2016-05-07]. （原始內容存檔於2016-04-14）. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 Jean-Philippe Aumasson, Simon Fischer, Shahram Khazaei, Willi Meier, and Christian Rechberger. New Features of Latin Dances (PDF). 2008-03-14 [2016-05-07]. （原始內容 (PDF)存檔於2016-04-13）. 
  4. ^ Salsa20 home page. [2016-05-07]. （原始內容存檔於2016-04-14）. 
  5. ^ Speed of Salsa20. [2016-05-07]. （原始內容存檔於2016-04-08）. 
  6. ^ 存档副本 (PDF). [2016-05-07]. （原始內容 (PDF)存檔於2016-06-11）. 
  7. ^ 存档副本. [2016-05-07]. （原始內容存檔於2016-07-09）. 
  8. ^ 存档副本. [2016-05-07]. （原始內容存檔於2016-03-03）. 
  9. ^ 存档副本 (PDF). [2016-05-07]. （原始內容存檔 (PDF)於2016-04-09）. 
  10. ^ Paul Crowley, Truncated differential cryptanalysis of five rounds of Salsa20 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  11. ^ Simon Fischer, Willi Meier, Côme Berbain, Jean-Francois Biasse, Matt Robshaw, Non-Randomness in eSTREAM Candidates Salsa20 and TSC-4, Indocrypt 2006
  12. ^ Yukiyasu Tsunoo, Teruo Saito, Hiroyasu Kubo, Tomoyasu Suzaki and Hiroki Nakashima. Differential Cryptanalysis of Salsa20/8 (PDF). 2007-01-02 [2016-05-07]. （原始內容存檔 (PDF)於2021-02-25）. 
  13. ^ Zhenqing Shi, Bin Zhang, Dengguo Feng, Wenling Wu (2012): „Improved Key Recovery Attacks on Reduced-Round Salsa20 and ChaCha「.
  14. ^ Nicky Mouha, Bart Preneel. A Proof that the ARX Cipher Salsa20 is Secure against Differential Cryptanalysis (PDF). 2013 [2016-05-07]. （原始內容存檔 (PDF)於2021-03-08）. 
  15. ^ Bernstein, Daniel, ChaCha, a variant of Salsa20 (PDF), 28 January 2008 [2018-06-03], （原始內容存檔 (PDF)於2018-05-02） 
  16. ^ ChaCha home page. [2016-05-07]. （原始內容存檔於2016-04-25）. 
  17. ^ Neves, Samuel, Faster ChaCha implementations for Intel processors, 2009-10-07 [2011-02-20], （原始內容存檔於2017-03-28）, two of these constants are multiples of 8; this allows for a 1 instruction rotation in Core2 and later Intel CPUs using the pshufb instruction 
  18. ^ Bernstein, D. J., ChaCha, a variant of Salsa20 (pdf): 4, 2008-01-28 [2011-02-20], Document ID: 4027b5256e17b9796842e6d0f68b0b5e, （原始內容存檔 (PDF)於2018-05-02） 
  19. ^ ChaCha20 and Poly1305 for IETF protocols （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, Internet-Draft , Y. Nir, Check Point, A. Langley, Google Inc., November 9, 2014
  20. ^ draft-ietf-tls-chacha20-poly1305 The ChaCha20-Poly1305 AEAD Cipher for Transport Layer Security
  21. ^ Google Swaps Out Crypto Ciphers in OpenSSL （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, InfoSecurity, April 24, 2014
  22. ^ Miller, Damien. ssh/PROTOCOL.chacha20poly1305. BSD Cross Reference, OpenBSD src/usr.bin/. 2013-12-02 [2014-12-26]. （原始內容存檔於2014-12-27）. 
  23. ^ Murenin, Constantine A. Unknown Lamer , 編. OpenSSH Has a New Cipher — Chacha20-poly1305 — from D.J. Bernstein. Slashdot. 2013-12-11 [2014-12-26]. （原始內容存檔於2021-03-09）. 
  24. ^ Murenin, Constantine A. Soulskill , 編. OpenSSH No Longer Has To Depend On OpenSSL. Slashdot. 2014-04-30 [2014-12-26]. （原始內容存檔於2016-06-24）. 
  25. ^ deraadt (編). libc/crypt/arc4random.c. BSD Cross Reference, OpenBSD src/lib/. 2014-07-21 [2015-01-13]. （原始內容存檔於2015-01-14）. ChaCha based random number generator for OpenBSD. 
  26. ^ riastradh (編). libc/gen/arc4random.c. BSD Cross Reference, NetBSD src/lib/. 2014-11-16 [2015-01-13]. （原始內容存檔於2015-01-14）. Legacy arc4random(3) API from OpenBSD reimplemented using the ChaCha20 PRF, with per-thread state. 
  27. ^ kern/subr_csprng.c. BSD Cross Reference, DragonFly BSD src/sys/. [2015-01-13]. （原始內容存檔於2015-01-14）. chacha_encrypt_bytes 
  28. ^ ChaCha Usage & Deployment. [2016-05-07]. （原始內容存檔於2021-02-19）. 
  29. ^ arc4random - NetBSD Manual Pages. [6 January 2015]. （原始內容存檔於2020-07-06）. 
  30. ^ Donenfeld, Jason A. Protocol & Cryptography - WireGuard. www.wireguard.com. [2020-04-21]. （原始內容存檔於2020-05-11） （英語）. 

外部連結

取自「https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=Salsa20&oldid=71605142」