本文将从以下几个方面进行阐述Chacha20算法：
- 简介
- 结构
- 基本操作
- 具体实现
- 安全性
一、简介
Chacha20是一种流密码算法，用于将数据以随机字节流的形式加密。其由丹尼斯.伯纳德在2008年设计，最初是作为Salsa20的替代加密方案而被开发出来的。Chacha20是一种可算加的函数，其实现速度很快，是目前应用广泛的加密算法。在TLS 1.3协议中，Chacha20是一种强制性的加密算法，取代了过去常用的AES-CBC和AES-GCM。
二、结构
Chacha20的结构如下所示：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
+---------------------------------------+
0 | Constant "expand 32-byte k" |
+---------------------------------------+
4 | Constant "expand 32-byte k" |
+---------------------------------------+
8 | Constant "expand 32-byte k" |
+---------------------------------------+
12 | Constant "expand 32-byte k" |
+---------------------------------------+
16 | Nonce |
+---------------------------------------+
20 | Nonce |
+---------------------------------------+
24 | Nonce |
+---------------------------------------+
28 | Nonce |
+---------------------------------------+
32 | Counter |
+---------------------------------------+
36 | Counter |
+---------------------------------------+
其中，常量字段“expand 32-byte k”用于标识该函数的版本。Nonce字段用于区分不同的加密流程。Counter字段用于记录流的长度。
三、基本操作
Chacha20加密算法的基本操作有以下几个：
- 32位的加法
- 32位的异或
- 循环移位
- 双倍大小的转换
其中，32位的加法和异或是两个常见的操作。循环移位和双倍大小的转换则是Chacha20算法特有的操作。
四、具体实现
下面我们来介绍如何具体实现Chacha20算法。
1. 初始化
在进行加密操作之前，需要进行初始化操作，其中需要提供密钥、Nonce和Counter三个参数。密钥为32字节长度的数据，Nonce和Counter各为12字节长度的随机数据。
class Chacha20:
def __init__(self, key, nonce, counter):
self.key = key
self.nonce = nonce
self.counter = struct.pack('<I', counter)
self.block = self._init_block()
def _init_block(self):
block = bytearray(64)
block[0:16] = b"expand 32-byte k"
block[16:32] = self.key
block[32:44] = self.counter
block[44:56] = self.nonce
return block
定义了Chacha20类，初始化时传入key，nonce和counter三个参数。在_init_block方法中，以bytearray的形式构造出Chacha20算法中常量和各个参数的数据块。
2. 首次加密
首次加密需要传入明文数据和随机数流初始值。
class Chacha20:
def encrypt(self, plaintext, nonce_start):
C = bytearray(plaintext)
state = self.block[:]
state[44:56] = nonce_start.to_bytes(12, 'little')
for i in range(10):
state = self._quarter_round(0, 4, 8, 12, state)
state = self._quarter_round(1, 5, 9, 13, state)
state = self._quarter_round(2, 6, 10, 14, state)
state = self._quarter_round(3, 7, 11, 15, state)
state = self._quarter_round(0, 5, 10, 15, state)
state = self._quarter_round(1, 6, 11, 12, state)
state = self._quarter_round(2, 7, 8, 13, state)
state = self._quarter_round(3, 4, 9, 14, state)
for i in range(64):
state[i] += self.block[i]
self.block = state
return bytes(C)
在encrypt方法中，首先复制了一份初始值得状态，然后分别进行四个轮次的四路运算，最后加上常量块得到新的状态值，再将此值与初始值进行异或得到加密流。
3. 后续加密
后续加密时，需要再次传入明文和当前随机数流下标。
class Chacha20:
def encrypt(self, plaintext, position):
C = bytearray(plaintext)
state = bytearray(self.block)
state[44:56] = position.to_bytes(12, 'little')
for i in range(10):
state = self._quarter_round(0, 4, 8, 12, state)
state = self._quarter_round(1, 5, 9, 13, state)
state = self._quarter_round(2, 6, 10, 14, state)
state = self._quarter_round(3, 7, 11, 15, state)
state = self._quarter_round(0, 5, 10, 15, state)
state = self._quarter_round(1, 6, 11, 12, state)
state = self._quarter_round(2, 7, 8, 13, state)
state = self._quarter_round(3, 4, 9, 14, state)
for i in range(64):
state[i] += self.block[i]
self.block = state
return bytes(C)
在进行后续加密时，还需要更新当前随机数流下标，并将其与初始值进行异或得到新的状态块。其他的操作与首次加密基本相同。
五、安全性
Chacha20加密算法在国际上得到了广泛应用，其安全性也被广泛认可。Chacha20不仅在性能上更胜于许多其他加密算法，在防止流密码攻击方面也表现良好。不过为了确保数据的安全，我们仍需在密钥和随机数流的选择、更新等方面予以注意。