Chacha20是一种流加密算法，由Daniel J. Bernstein设计。它是一种对称加密算法，用于加密和解密数据，具有高效、高速和安全的特点。Chacha20算法被设计为替代RC4，并在多种场景中被广泛使用，如TLS、SSH等。
Chacha20算法简介
Chacha20算法的核心组件是一个对称的20轮加密函数（可以配置为不同的轮数，如8、12、20），它基于一个初始状态矩阵，该矩阵由以下部分组成：
- 一个固定的常量（通常是"expand 32-byte k"的ASCII编码）。
- 256位（32字节）的密钥。
- 64位（8字节）的计数器。
- 64位（8字节）的随机数（nonce）。
初始状态矩阵是一个4x4的32位字矩阵。每轮加密函数主要由四种操作组成：加法、异或（XOR）和循环移位操作。
标准C实现Chacha20算法
以下是一个简单的Chacha20算法的标准C实现.
#include <stdint.h> // 包含标准整数类型
#include <string.h> // 包含内存操作函数，如 memcpy#include <cstdio> // 包含标准输入输出函数，如 putchar
// 宏定义：循环左移（左移操作后，右边溢出的部分重新回到左边）
#define ROTL(a, b) (((a) << (b)) | ((a) >> (32 - (b))))
// 宏定义：Chacha20的四分之一轮（Quarter Round）操作
#define QR(a, b, c, d) ( \
a += b, d ^= a, d = ROTL(d, 16), \
c += d, b ^= c, b = ROTL(b, 12), \
a += b, d ^= a, d = ROTL(d, 8), \
c += d, b ^= c, b = ROTL(b, 7))
// ChaCha20加密算法中的块函数
void chacha20_block(uint32_t output[16], const uint32_t input[16]) {
int i;
uint32_t x[16]; // 创建一个32位的数组用于存储状态
memcpy(x, input, sizeof(x)); // 将输入状态复制到数组x
// 进行20轮加密操作，每轮执行四分之一轮操作
for (i = 0; i < 10; i++) {
// 奇数轮
QR(x[0], x[4], x[8], x[12]);
QR(x[1], x[5], x[9], x[13]);
QR(x[2], x[6], x[10], x[14]);
QR(x[3], x[7], x[11], x[15]);
// 偶数轮
QR(x[0], x[5], x[10], x[15]);
QR(x[1], x[6], x[11], x[12]);
QR(x[2], x[7], x[8], x[13]);
QR(x[3], x[4], x[9], x[14]);
}
// 将加密结果与原始输入状态相加，输出最终结果
for (i = 0; i < 16; ++i) {
output[i] = x[i] + input[i];
}
}
// ChaCha20加密函数
void chacha20_encrypt(uint8_t *out, const uint8_t *in, size_t in_len, const uint32_t key[8], const uint32_t nonce[3], uint32_t counter) {
uint32_t state[16] = {
0x61707865, 0x3320646e, 0x79622d32, 0x6b206574, // 固定常量（ASCII编码：expand 32-byte k）
key[0], key[1], key[2], key[3], // 256位密钥（8个32位字）
key[4], key[5], key[6], key[7],
counter, nonce[0], nonce[1], nonce[2] // 计数器和nonce
};
uint8_t block[64]; // 存储每次生成的64字节的加密块
size_t i, j;
while (in_len > 0) {
// 生成一个加密块
chacha20_block((uint32_t *)block, state);
state[12]++; // 每次加密后递增计数器
size_t block_size = (in_len < 64) ? in_len : 64; // 计算当前块的大小
for (i = 0; i < block_size; i++) {
out[i] = in[i] ^ block[i]; // 将输入数据与加密块异或得到密文
}
// 更新剩余输入数据的长度和指针
in_len -= block_size;
in += block_size;
out += block_size;
}
}
int main() {
// 示例：初始化密钥、nonce、明文等
uint8_t key[32] = {0}; // 32字节的密钥
uint8_t nonce[12] = {0}; // 12字节的nonce
uint8_t plaintext[64] = "Hello, this is a test for the ChaCha20 encryption algorithm."; // 明文
uint8_t ciphertext[64]; // 用于存储加密后的密文
uint8_t decrypted[64]; // 用于存储解密后的数据
// 执行加密操作
chacha20_encrypt(ciphertext, plaintext, sizeof(plaintext), (uint32_t *)key, (uint32_t *)nonce, 1);
// 执行解密操作（加密是对称的，解密过程与加密相同）
chacha20_encrypt(decrypted, ciphertext, sizeof(ciphertext), (uint32_t *)key, (uint32_t *)nonce, 1);
// 解密后的数据应当与原始明文相同
for (int i = 0; i < sizeof(plaintext); i++) {
putchar(decrypted[i]); // 输出解密后的字符
}
return 0;
}
Chacha20是对称,加密加密函数和解密函数使用相同的参数。
- 在加密时，输入是明文，输出是密文。
- 在解密时，输入是密文，输出是明文。
参数列表：
void chacha20_encrypt(uint8_t *out, const uint8_t *in, size_t in_len, const uint32_t key[8], const uint32_t nonce[3], uint32_t counter);
加密和解密过程：
- 加密：
chacha20_encrypt函数将明文（in）和密钥、nonce及计数器一起进行加密，生成密文（out）。 - 解密：由于ChaCha20是对称加密算法，解密过程与加密过程相同。将密文（
in）与相同的密钥、nonce和计数器一起进行“加密”操作，结果为明文（out）。
1. out (输出缓冲区)
- 类型:
uint8_t *out - 用途: 用于存储加密或解密后的数据。加密函数将生成的密文写入
out，而解密函数将解密后的明文写入out。
2. in (输入数据)
- 类型:
const uint8_t *in - 用途: 这是要加密或解密的数据。在加密过程中，
in是明文数据，out是密文；在解密过程中，in是密文数据，out是明文。
3. in_len (输入数据长度)
- 类型:
size_t in_len - 用途: 输入数据的长度，即需要加密或解密的数据字节数。
in_len告诉加密函数或解密函数要处理多少字节的数据。
4. key (256位密钥)
- 类型:
const uint32_t key[8](共256位，即32字节，分为8个32位整数) - 用途: 用于加密或解密操作的密钥。ChaCha20使用256位的密钥，密钥长度为32字节。密钥决定了加密或解密操作的安全性和唯一性。
5. nonce (12字节的随机数)
- 类型:
const uint32_t nonce[3](共96位，即12字节，分为3个32位整数) - 用途:
nonce（Number used once）是一个用于确保加密过程不重复的随机数。它和密钥一起决定了加密流的独特性。通常情况下，nonce应保持唯一且不可重用。
6. counter (计数器)
- 类型:
uint32_t counter - 用途: 这是一个32位的计数器，用来在每个加密操作中递增。通常在每次加密时，
counter会在块加密时递增，防止重复的密文输出。