2.4 The ChaCha20 Encryption Algorithm (L'algorithme de chiffrement ChaCha20)

ChaCha20 est un chiffrement par flux conçu par D. J. Bernstein. C'est un raffinement de l'algorithme Salsa20 et il utilise une clé de 256 bits.

ChaCha20 appelle successivement la fonction de bloc ChaCha20, avec la même clé et le même nonce, et avec des paramètres de compteur de blocs successivement croissants. ChaCha20 sérialise ensuite l'état résultant en écrivant les nombres dans l'ordre little-endian, créant un bloc de flux de clés. La concaténation des blocs de flux de clés des blocs successifs forme un flux de clés. La fonction ChaCha20 effectue ensuite un XOR de ce flux de clés avec le texte en clair. Alternativement, chaque bloc de flux de clés peut être XORé avec un bloc de texte en clair avant de procéder à la création du bloc suivant, économisant ainsi de la mémoire. Il n'y a aucune exigence pour que le texte en clair soit un multiple entier de 512 bits. S'il y a un flux de clés supplémentaire du dernier bloc, il est jeté. Les protocoles spécifiques PEUVENT exiger que le texte en clair et le texte chiffré aient une certaine longueur. De tels protocoles doivent spécifier comment le texte en clair est rembourré et combien de rembourrage il reçoit.

Les entrées de ChaCha20 sont:

Une clé de 256 bits
Un compteur initial de 32 bits. Celui-ci peut être défini sur n'importe quel nombre, mais sera généralement zéro ou un. Il est logique d'utiliser un si nous utilisons le bloc zéro pour autre chose, comme générer une clé d'authentificateur à usage unique dans le cadre d'un algorithme AEAD.
Un nonce de 96 bits. Dans certains protocoles, cela est connu sous le nom de vecteur d'initialisation.
Un texte en clair de longueur arbitraire

La sortie est un message chiffré, ou "texte chiffré", de la même longueur.

Le déchiffrement se fait de la même manière. La fonction de bloc ChaCha20 est utilisée pour étendre la clé en un flux de clés, qui est XORé avec le texte chiffré pour redonner le texte en clair.

2.4.1 The ChaCha20 Encryption Algorithm in Pseudocode (L'algorithme de chiffrement ChaCha20 en pseudocode)

chacha20_encrypt(key, counter, nonce, plaintext):
   for j = 0 upto floor(len(plaintext)/64)-1
      key_stream = chacha20_block(key, counter+j, nonce)
      block = plaintext[(j*64)..(j*64+63)]
      encrypted_message +=  block ^ key_stream
      end
   if ((len(plaintext) % 64) != 0)
      j = floor(len(plaintext)/64)
      key_stream = chacha20_block(key, counter+j, nonce)
      block = plaintext[(j*64)..len(plaintext)-1]
      encrypted_message += (block^key_stream)[0..len(plaintext)%64]
      end
   return encrypted_message
   end

2.4.2 Example and Test Vector for the ChaCha20 Cipher (Exemple et vecteur de test pour le chiffrement ChaCha20)

Pour un vecteur de test, nous utiliserons les entrées suivantes pour la fonction de bloc ChaCha20:

Key = 00:01:02:03:04:05:06:07:08:09:0a:0b:0c:0d:0e:0f:10:11:12:13:14:15:16:17:18:19:1a:1b:1c:1d:1e:1f.
Nonce = (00:00:00:00:00:00:00:4a:00:00:00:00).
Initial Counter = 1.

Nous utilisons ce qui suit pour le texte en clair. Il a été choisi pour être suffisamment long pour nécessiter plus d'un bloc, mais pas si long qu'il rendrait cet exemple encombrant (donc, moins de 3 blocs):

Plaintext Sunscreen: (Texte en clair crème solaire)

4c 61 64 69 65 73 20 61 6e 64 20 47 65 6e 74 6c  Ladies and Gentl
65 6d 65 6e 20 6f 66 20 74 68 65 20 63 6c 61 73  emen of the clas
73 20 6f 66 20 27 39 39 3a 20 49 66 20 49 20 63  s of '99: If I c
6f 75 6c 64 20 6f 66 66 65 72 20 79 6f 75 20 6f  ould offer you o
6e 6c 79 20 6f 6e 65 20 74 69 70 20 66 6f 72 20  nly one tip for 
74 68 65 20 66 75 74 75 72 65 2c 20 73 75 6e 73  the future, suns
63 72 65 65 6e 20 77 6f 75 6c 64 20 62 65 20 69  creen would be i
74 2e                                            t.

La figure suivante montre quatre matrices d'état ChaCha:

Premier bloc tel qu'il est configuré.
Deuxième bloc tel qu'il est configuré. Notez que ces blocs ne sont séparés que de deux bits -- seul le compteur en position 12 est différent.
Le troisième bloc est le premier bloc après l'application de l'opération de bloc ChaCha20.
Le dernier bloc est le deuxième bloc après l'application de l'opération de bloc ChaCha20.

Après cela, nous montrons le flux de clés.

First block setup: (Configuration du premier bloc)

    61707865  3320646e  79622d32  6b206574
    03020100  07060504  0b0a0908  0f0e0d0c
    13121110  17161514  1b1a1918  1f1e1d1c
    00000001  00000000  4a000000  00000000

Second block setup: (Configuration du deuxième bloc)

    61707865  3320646e  79622d32  6b206574
    03020100  07060504  0b0a0908  0f0e0d0c
    13121110  17161514  1b1a1918  1f1e1d1c
    00000002  00000000  4a000000  00000000

First block after block operation: (Premier bloc après l'opération de bloc)

    f3514f22  e1d91b40  6f27de2f  ed1d63b8
    821f138c  e2062c3d  ecca4f7e  78cff39e
    a30a3b8a  920a6072  cd7479b5  34932bed
    40ba4c79  cd343ec6  4c2c21ea  b7417df0

Second block after block operation: (Deuxième bloc après l'opération de bloc)

    9f74a669  410f633f  28feca22  7ec44dec
    6d34d426  738cb970  3ac5e9f3  45590cc4
    da6e8b39  892c831a  cdea67c1  2b7e1d90
    037463f3  a11a2073  e8bcfb88  edc49139

Keystream: (Flux de clés)

22:4f:51:f3:40:1b:d9:e1:2f:de:27:6f:b8:63:1d:ed:8c:13:1f:82:3d:2c:06
e2:7e:4f:ca:ec:9e:f3:cf:78:8a:3b:0a:a3:72:60:0a:92:b5:79:74:cd:ed:2b
93:34:79:4c:ba:40:c6:3e:34:cd:ea:21:2c:4c:f0:7d:41:b7:69:a6:74:9f:3f
63:0f:41:22:ca:fe:28:ec:4d:c4:7e:26:d4:34:6d:70:b9:8c:73:f3:e9:c5:3a
c4:0c:59:45:39:8b:6e:da:1a:83:2c:89:c1:67:ea:cd:90:1d:7e:2b:f3:63

Enfin, nous XORons le flux de clés avec le texte en clair, donnant le texte chiffré:

Ciphertext Sunscreen: (Texte chiffré crème solaire)

6e 2e 35 9a 25 68 f9 80 41 ba 07 28 dd 0d 69 81  n.5.%h..A..(..i.
e9 7e 7a ec 1d 43 60 c2 0a 27 af cc fd 9f ae 0b  .~z..C`..'......
f9 1b 65 c5 52 47 33 ab 8f 59 3d ab cd 62 b3 57  ..e.RG3..Y=..b.W
16 39 d6 24 e6 51 52 ab 8f 53 0c 35 9f 08 61 d8  .9.$.QR..S.5..a.
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