ChaCha20 加密算法详解与逆向分析

1. 算法概述

ChaCha20是一种流密码算法，由Daniel J. Bernstein于2008年设计，是Salsa20的改进版。它被广泛应用于网络通信、加密文件和存储介质等领域。

主要特点：

• 使用256位密钥（32字节）和12字节随机数（nonce）
• 生成可变长度的伪随机比特流
• 通过异或操作实现加密/解密
• 快速、安全、内存友好
• 适用于高速网络通信和移动设备

2. 与RC4的区别

3. 算法流程详解

3.1 初始化阶段

构建一个4x4矩阵（64字节），包含以下部分：

1. 16字节固定魔数："expand 32-byte k"
2. 32字节密钥
3. 12字节Nonce
4. 4字节计数器（初始为0）

矩阵排列顺序：

0x61707865, 0x3320646e, 0x79622d32, 0x6b206574,  /* 魔数 */
key[0], key[1], key[2], key[3],                  /* 密钥 */
key[4], key[5], key[6], key[7],                  /* 密钥 */
counter_low, counter_high, nonce[0], nonce[1],    /* 计数器和nonce */
nonce[2], nonce[3], nonce[4], nonce[5]           /* nonce */

3.2 密钥流生成

1. 复制初始状态矩阵
2. 对副本进行20轮高度混淆的轮函数操作（10次双轮变换）
   • 每轮包含4次Quarter Round操作
3. 将混淆后的矩阵与原始矩阵相加，得到64字节密钥流块
4. 计数器加1，重复过程生成下一个密钥流块

3.3 加密过程

将生成的密钥流与明文逐字节异或，得到密文。每块处理64字节数据。

4. 核心数据结构

struct chacha20_context {
    uint64_t counter;        // 8字节计数器
    uint8_t nonce[12];       // 12字节Nonce
    uint8_t key[32];         // 32字节密钥
    size_t position;         // 当前密钥流位置(0-63)
    uint8_t keystream[64];   // 64字节密钥流
    uint32_t state[16];      // 64字节初始状态
};

5. 关键函数实现

5.1 初始化函数

void chacha20_init_context(
    struct chacha20_context *ctx,
    const uint8_t key[32],
    const uint8_t nonce[12],
    uint64_t counter
) {
    // 设置魔数
    ctx->state[0] = 0x61707865;
    ctx->state[1] = 0x3320646e;
    ctx->state[2] = 0x79622d32;
    ctx->state[3] = 0x6b206574;
    
    // 设置密钥
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        ctx->state[4 + i] = pack4(key + i * 4);
    }
    
    // 设置计数器和Nonce
    ctx->state[12] = (uint32_t)(counter & 0xFFFFFFFF);
    ctx->state[13] = (uint32_t)(counter >> 32) + pack4(nonce);
    ctx->state[14] = pack4(nonce + 4);
    ctx->state[15] = pack4(nonce + 8);
    
    ctx->counter = counter;
    memcpy(ctx->nonce, nonce, 12);
    memcpy(ctx->key, key, 32);
    ctx->position = 64; // 初始设置为64，强制第一次生成密钥流
}

5.2 Quarter Round操作

#define ROTL32(a, b) (((a) << (b)) | ((a) >> (32 - (b))))

void chacha20_quarterround(uint32_t *a, uint32_t *b, uint32_t *c, uint32_t *d) {
    *a += *b; *d ^= *a; *d = ROTL32(*d, 16);
    *c += *d; *b ^= *c; *b = ROTL32(*b, 12);
    *a += *b; *d ^= *a; *d = ROTL32(*d, 8);
    *c += *d; *b ^= *c; *b = ROTL32(*b, 7);
}

5.3 密钥流生成函数

void chacha20_block_next(struct chacha20_context *ctx) {
    uint32_t x[16];
    
    // 复制初始状态
    memcpy(x, ctx->state, sizeof(x));
    
    // 10次双轮变换（共20轮）
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        // 列轮
        chacha20_quarterround(&x[0], &x[4], &x[8], &x[12]);
        chacha20_quarterround(&x[1], &x[5], &x[9], &x[13]);
        chacha20_quarterround(&x[2], &x[6], &x[10], &x[14]);
        chacha20_quarterround(&x[3], &x[7], &x[11], &x[15]);
        
        // 对角轮
        chacha20_quarterround(&x[0], &x[5], &x[10], &x[15]);
        chacha20_quarterround(&x[1], &x[6], &x[11], &x[12]);
        chacha20_quarterround(&x[2], &x[7], &x[8], &x[13]);
        chacha20_quarterround(&x[3], &x[4], &x[9], &x[14]);
    }
    
    // 与初始状态相加
    for (int i = 0; i < 16; i++) {
        x[i] += ctx->state[i];
    }
    
    // 更新密钥流
    for (int i = 0; i < 16; i++) {
        ctx->keystream[i * 4 + 0] = (uint8_t)(x[i] >> 0);
        ctx->keystream[i * 4 + 1] = (uint8_t)(x[i] >> 8);
        ctx->keystream[i * 4 + 2] = (uint8_t)(x[i] >> 16);
        ctx->keystream[i * 4 + 3] = (uint8_t)(x[i] >> 24);
    }
    
    // 更新计数器
    ctx->state[12]++;
    if (ctx->state[12] == 0) {
        ctx->state[13]++;
    }
    ctx->counter++;
    ctx->position = 0;
}

5.4 加密/解密函数

void chacha20_xor(
    struct chacha20_context *ctx,
    const uint8_t *in,
    uint8_t *out,
    size_t len
) {
    for (size_t i = 0; i < len; i++) {
        if (ctx->position >= 64) {
            chacha20_block_next(ctx);
        }
        out[i] = in[i] ^ ctx->keystream[ctx->position++];
    }
}

6. 逆向分析特征

6.1 初始化阶段识别

• 固定魔数值：0x61707865, 0x3320646e, 0x79622d32, 0x6b206574
• 32字节密钥加载
• 12字节Nonce加载
• 4字节计数器设置

6.2 轮函数识别

• 大量加-异或-移位（ARX）操作
• 32次右移操作（10轮×4次QR×8次移位）
• 典型的移位值：16, 12, 8, 7

6.3 矩阵操作识别

• 4×4矩阵结构
• 列轮和对角轮交替进行
• 最终状态与初始状态相加

7. 逆向题目解法示例

对于使用ChaCha20加密的题目，解密方法通常为：

1. 识别程序中使用的密钥和Nonce
2. 使用相同的密钥和Nonce初始化ChaCha20上下文
3. 对密文再次进行ChaCha20加密（因为异或操作可逆）
4. 得到原始明文

8. 实际应用

ChaCha20已被广泛应用于：

• TLS 1.2/1.3（作为加密套件）
• SSH协议
• IPsec VPN
• 磁盘加密
• 移动设备加密通信

9. 安全性分析

ChaCha20的优势：

• 抗侧信道攻击（无S盒）
• 高扩散性（20轮操作）
• 256位密钥强度
• 经过广泛密码分析验证

10. 参考资料

1. ChaCha20 and Poly1305 for IETF Protocols - RFC 8439
2. The Salsa20 Family of Stream Ciphers - D. J. Bernstein
3. ChaCha20加密算法笔记 - 知乎