Salsa20

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）
繼承演算法	ChaCha
相關演算法	Rumba20
認證	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於Intel Core 2 Duo
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 。

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，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。

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。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，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。 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，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。

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。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。

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2^11.37對金鑰流，打破8/20輪來恢復256位的私鑰。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。

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）。

在2013年，Mouha和Preneel發布了一則證明，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 on an Intel Core 2 Duo

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。 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。

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。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。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。

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。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。

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。後來，通過編譯時選項避免它依賴於OpenSSL也成為可能。

ChaCha20也被用在OpenBSD和NetBSD作業系統中的arc4random亂數生成器，取代已經脆弱的RC4，在DragonFly BSD中核心的CSPRNG子程式中也是如此。

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。

另見

• Speck – 美國國家安全局開發的一個add-rotate-xor密碼演算法
• 高級加密標準（AES）

外部連結

• Salsa20 首頁（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• Specification（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） (PDF)
• Salsa20/8 and Salsa20/12（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） (PDF)
• eStream page on Salsa20（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• The ChaCha family of stream ciphers（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• Salsa20 Usage & Deployment（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）