密码学 - ChaCha20 加密算法

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加密是保护数据最有效的方法之一，而 ChaCha20 是当今应用最广泛的加密算法之一。ChaCha20 是一种安全且快速的加密方法，可在各种应用程序中实现。

本章将讨论 ChaCha20 加密算法，其工作原理以及它与其他加密算法的不同之处。

ChaCha20 的历史

Daniel J. Bernstein 在 2005 年至 2008 年间开发了两种算法：Poly1305 和 ChaCha20。在 2013 年至 2014 年间，这些算法的变体被纳入 IETF 的提案中，用于 TLS 和 DTLS，谷歌出于安全性和性能方面的考虑而支持这些算法。

它们最终被 OpenSSH 采用。2015 年，针对 TLS、DTLS 和 IPsec 等协议的 RFC 采用了组合方法。Cloudflare 也采用了它。2018 年 6 月，RFC 7539 被 RFC 8439 取代。

什么是 ChaCha20 加密？

ChaCha20 是一种对称加密方法，它使用相同的 256 位密钥对数据进行加密和解密。

著名的密码学家 Daniel J. Bernstein 在 2008 年将其创建为流密码。

ChaCha20 加密算法旨在在速度和安全性之间取得平衡。

它旨在处理已知的攻击，例如差分密码分析和线性密码分析。此外，它具有高度并行性，使其易于转移到多核 CPU 和其他高性能计算平台。

它是如何工作的？

ChaCha20 是一种流密码，它以连续流而不是固定大小的分组来加密数据。

它产生一个连续的伪随机位密钥流，然后将其与明文数据进行异或运算以形成密文。

算法

以下是 ChaCha20 加密算法的基本步骤：

• 第一步是密钥生成。其中，ChaCha20 算法使用用户提供的密钥和随机生成的 96 位 nonce 创建一个 256 位密钥。
• 第二步是初始化，其中算法使用密钥和 nonce 来设置密码的状态。
• 第三步是数据加密，其中 ChaCha20 使用当前密码状态对每个数据块进行加密，在处理每个块后都会更改密码状态。
• 最后一步是输出，其中密文是通过将明文与数据加密步骤的输出进行异或运算生成的。

密钥生成

ChaCha 的私钥不必采用特定形式；它们只需要是所需大小的（加密安全的）随机位。其他方法，如 RSA 或 EC，需要值满足某些数学条件，但 ChaCha 密钥不需要。

但是，确保密钥正确生成至关重要，否则它可能成为一种攻击手段——如果密钥创建不够“随机”，则可能是一种非常容易的攻击方法。

以下是实现 ChaCha 密钥生成时应考虑的一些规则：

• 如果可能，请使用 CSPRNG（密码安全伪随机数生成器）或 HSM（硬件安全模块）。
• 否则，请确保正确地为您的随机数生成器播种。
• 始终使用新的随机性来获取密钥生成器；不要使用相同的随机数种子生成多个密钥。
• 在需要和保留密钥的地方生成密钥；例如，不要在服务器上生成密钥以在客户端使用；而应该在客户端生成它们。
• 确保私钥安全。
• 避免传输私钥。
• 强烈建议尽可能频繁地重新协商或轮换密钥。不要将私钥视为与个人或节点“永久”连接的东西，而应将其视为可以定期更改的临时东西。

如何使用密码进行加密和解密？

ChaCha 通常以一种从用户必须输入的密码生成密钥的方式使用，以加密/解密数据。由于密钥具有固定的长度（256 位或 32 字节），因此不能直接使用密码作为密钥，因为这会导致用户必须选择的密码不安全且不实用。

相反，密钥派生算法从密码生成 ChaCha 兼容的密钥。PBKDF2（基于密码的密钥派生函数 2）是一种高级密钥派生函数。

ChaCha20 的优点

以下是使用此技术时需要考虑的 ChaCha20 的一些优点：

• ChaCha20 是速度最快的加密算法之一，使其非常适合在各种设备上使用，特别是移动设备和低功耗物联网设备。
• ChaCha20 旨在具有高度安全性和对已知攻击的弹性。它基于与 Salsa20 加密方法类似的原理构建，Salsa20 加密方法经过广泛测试，被认为是高度安全的。
• ChaCha20 具有高度并行性，使其非常适合多核处理器和高性能计算系统。
• 与其他加密算法相比，ChaCha20 非常易于实现，这使其成为开发人员令人信服的选择。

ChaCha20 的应用

ChaCha20 加密用于各种应用程序，例如：

• 安全通信：ChaCha20 加密个人之间的通信，如安全消息应用程序或 VPN 中所示。
• 文件加密：它加密保存在设备上或通过网络传输的文件。
• 物联网安全：ChaCha20 保护物联网设备，这些设备通常计算能力有限，需要轻量级加密技术。
• 网络安全：它可以保护网络流量，例如 HTTPS 连接。

什么是 XChaCha20？

密码学随机数是一个任意值，仅使用一次以确保操作（例如加密或哈希）的唯一性。扩展随机数 ChaCha20 (XChaCha20) 是 ChaCha20 的一种变体，它使用 192 位随机数而不是 96 位随机数。这使得选择随机数更加安全，因为几乎没有重复使用的可能性。

（“位”表示密码密钥的大小或长度。简单来说，位数越高，密钥就越安全。）

然而，XChaCha20 没有正式认可的标准，2020 年建立标准的最新尝试也失败了。这导致这种相对更安全的形式的接受速度缓慢。

ChaCha20 的替代方案

• AES（高级加密标准）
• RC4（Rivest Cipher 4）
• Salsa20
• Blowfish
• Twofish
• Camellia