Salsa20

Salsa20是一种流加密算法，由丹尼尔·J·伯恩斯坦提交到eSTREAM。它建立在基于add-rotate-xor（ARX）操作的伪随机函数之上——32位模加、异或（XOR）和循环移位操作。Salsa20映射一个256位密钥、一个64位nonce以及一个64位流位置到一个512位的输出（也存在一个128位密钥的版本）。这使Salsa20具有了不同寻常的优势，用户可以在恒定时间内寻求输出流中的任何位置。它可以在现代x86处理器中提供约每4–14次循环周期一字节的速度，并具有合理的硬件性能。它没有注册专利，并且Bernstein还撰写了几篇对常见架构优化的公有领域实现。

一个相关的密码算法ChaCha，具有类似的特点，但有不同的循环移位函数，已在2008年由伯恩斯坦发布。

## 结构

在其内部，该算法采用模加⊕（逻辑异或），32位模加232 ⊞，和在一个内部十六个32位word的state上进行恒定距离循环移位操作（<<<）。只使用add-rotate-xor操作避免了软件实现中计时攻击的可能性。基本的Salsa20循环函数 `R(a,b,c,k)`是

```
b ⊕= (a ⊞ c) <<< k;
```

初始状态是根据密钥的8个word、流位置的2个word、nonce的两个word（基本上是额外的流位置）和4个固定word制成。20轮循环混合制成16个word的流密码输出。

一个quarter-round会使用四个word的输入并制成四个word的输出。内部的16-word状态被布置为一个4x4矩阵；偶数循环应用quarter-round操作到四行的每项，奇数循环应用quarter-round操作到四列的每项。连续两轮循环（一次行循环和一次列循环）被称为double-round。

更精确的规范已在下方呈现为伪代码，尽管这种行/列模式更难看出⊞是模加232，<<<是左旋操作，及⊕是异或。`x ⊕= y`是`x = x ⊕ y`的缩写。

```
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在其输入上实行20轮混合，然后添加最终数组到原数数组来获得64字节输出块。但是，使用8轮和12轮的缩减循环的变体Salsa20/8和Salsa20/12也已分别被引入。这些变体被引入以补充原有的Salsa20，但不是取代它，甚至在eSTREAM的基准测量中比Salsa20表现更好quantify，尽管它相应有着较低的安全余量。

## eSTREAM选用

Salsa20已被选择作为eSTREAM项目“Profile 1”（软件）的第三阶段设计，其在第二阶段结束时得到了Profile 1中算法中的最高投票得分。Salsa20先前被选择为Profile 1（软件）的第二阶段设计重点，并作为eSTREAM项目Profile 2（硬件）的第二阶段，但最终没有晋级到“Profile 2”的第三阶段，因为eSTREAM觉得这对于极其资源受限的硬件环境可能不是一个好的候选。

## 密码分析

截至2015年，没有已知的对Salsa20/12或完整Salsa20/20的攻击被发布；已知的最佳攻击是打破12轮或20轮循环中的8轮。

在2005年，Paul Crowley报告了一个对Salsa20/5的攻击，预计时间复杂度2165，并赢得Bernstein的1000美金 “最有趣Salsa20密码分析”奖励。此次攻击及所有后续的攻击都是基于截断差分分析。在2006年，Fischer、Meier、Berbain、Biasse和Robshaw报告了一个对Salsa20/6的攻击，预计时间复杂度2177，以及一个对Salsa20/7的相关密钥攻击，预计时间复杂度2217。

在2007年，Tsunoo 等人公布了一个Salsa20的密码分析，在2255次操作中，使用211.37对密钥流，打破8/20轮来恢复256位的私钥。但是，这种攻击似乎没有比蛮力攻击更好。

在2008年，Aumasson、Fischer、Khazaei、Meier和Rechberger报告了一个追对Salsa20/7的密码分析攻击，时间复杂度2153，并且他们报告了首个对Salsa20/8用预计时间复杂度2251的攻击。此攻击使用了对中性密钥位进行截断差分概率检测的新概念。此攻击可以打破使用128位密钥的Salsa20/7。

在2012年，Aumasson 等人的攻击使Shi 等人将Salsa20/7（128位密钥，时间复杂度2109）改进为Salsa20/8（256位密钥，时间复杂度2250）。

在2013年，Mouha和Preneel发布了一则证明，叙述使用15轮循环的Salsa20在128位的安全差分分析。具体来说，它没有比2−130更高概率的差分特征，因此差分分析会比用尽128位密钥更困难。

## ChaCha变种

在2008年，丹尼尔·J·伯恩斯坦发布了一个密切相关的“ChaCha”密码家族，其目的是增加每一轮的扩散以实现相同或稍微提升的性能。Aumasson et al. paper也攻击过ChaCha，实现了少一轮循环：256位ChaCha6有复杂性2139，ChaCha7有复杂性2248。128位ChaCha6在2107以内，但据称攻击128位的ChaCha7失败。

ChaCha替换了基本的Salsa20循环函数`R(a,b,c,k)`

```
b ⊕= (a ⊞ c) <<< k;
```

修改后的计算方法：

```
b ⊞= c;
a ⊕= b;
a <<<= k;
```

循环移位量也被更新。一个完整的quarter-round，`QR (a,b,c,d)`变为：

```
a ⊞= b; d ⊕= a; d <<<= 16;
c ⊞= d; b ⊕= c; b <<<= 12;
a ⊞= b; d ⊕= a; d <<<= 8;
c ⊞= d; b ⊕= c; b <<<= 7;
```

这除了使其在双操作数指令集（如x86）上更有效率，也使其在每次quarter-round中更新每个word两次。

在事实上，8轮的两次循环允许一些优化。此外，输入格式可以被重新布置，以支持高效的SSE实现优化，这对Salsa20已被发现。相比逐行、逐列下移置换，还可以沿对角线进行。这样ChaCha中的两轮循环是：

```
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)
```

其中的数字是十六个32位state word。ChaCha20使用两轮10次迭代。

ChaCha是BLAKE哈希算法的基础，NIST哈希算法竞争的一个入围者，并且继任者BLAKE2调整为更高的速度。它还定义了一个使用16个64位word（state的1024位）的变种，具有相应调整的循环移位常数。

### ChaCha20

Google选择了伯恩斯坦设计的，带Poly1305讯息鉴别码的ChaCha20（即ChaCha20-Poly1305），作为OpenSSL中RC4的替代品，用以完成互联网的安全通信。Google最初实现了HTTPS (TLS/SSL)流量在Chrome浏览器（Android手机版）与Google网站之间的通信。

不久之后，Google在TLS中采用它，ChaCha20-Poly1305算法也以chacha20-poly1305@openssh.com成为OpenSSH中的一个新密码套件。后来，通过编译时选项避免它依赖于OpenSSL也成为可能。

ChaCha20也被用在OpenBSD和NetBSD操作系统中的arc4random随机数生成器，取代已经脆弱的RC4，在DragonFly BSD中内核的CSPRNG子程序中也是如此。

ChaCha20已经在中标准化。它在IKE和IPsec中的使用已在中标准化。在中，ChaCha20-Poly1305已经被加入TLS扩展标准。

若CPU或软件不支援AES指令集，ChaCha20可提供比AES更好的效能。

WireGuard协定使用了带Poly1305讯息鉴别码的ChaCha20。

## 另见

- Speck – 美国国家安全局开发的一个add-rotate-xor密码算法
- 高级加密标准（AES）

## 外部链接

- Salsa20 首页
- Specification (PDF)
- Salsa20/8 and Salsa20/12 (PDF)
- eStream page on Salsa20
- The ChaCha family of stream ciphers
- Salsa20 Usage & Deployment

## 基本资料

- 设计者：丹尼尔·J·伯恩斯坦
- publish date：2007年（2005年设计）
- 继承算法：ChaCha
- 相关算法：Rumba20
- 认证：eSTREAM密码组合
- 密钥长度：128或256位
- 状态长度：512位
- 结构：ARX
- 重复回数：20
- 速度：3.91 cycles per byte于Intel Core 2 Duo
- cryptanalysis：2008年的密码分析中，在2251次操作中利用231对密钥流，尝试恢复256位的密钥，破解了20轮中的8轮。
- 日语原文：ChaCha
- publish date：2008
- 状态长度：512 bits
- 速度：3.95 cycles per byte on an Intel Core 2 Duo