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2.4 The ChaCha20 Encryption Algorithm (ChaCha20暗号化アルゴリズム)

2.4 The ChaCha20 Encryption Algorithm (ChaCha20暗号化アルゴリズム)​

ChaCha20はD. J. Bernsteinによって設計されたストリーム暗号です。これはSalsa20アルゴリズムの改良版であり, 256ビット鍵を使用します。

ChaCha20は同じ鍵とnonceで, 連続的に増加するブロックカウンタパラメータを使用して, ChaCha20ブロック関数を連続的に呼び出します。次にChaCha20は, リトルエンディアン順で数値を書き込むことにより結果の状態をシリアライズし, 鍵ストリームブロックを作成します。連続するブロックからの鍵ストリームブロックを連結すると, 鍵ストリームが形成されます。その後, ChaCha20関数はこの鍵ストリームと平文のXORを実行します。あるいは, 次のブロックの作成に進む前に, 各鍵ストリームブロックを平文ブロックとXORできます。これによりメモリが節約されます。平文が512ビットの整数倍である必要はありません。最後のブロックから余分な鍵ストリームがある場合は破棄されます。特定のプロトコルは平文と暗号文が特定の長さを持つことを要求する場合があります。そのようなプロトコルは, 平文がどのようにパディングされ, どれだけのパディングを受け取るかを指定する必要があります。

ChaCha20への入力は次のとおりです:

  • 256ビット鍵

  • 32ビット初期カウンタ。これは任意の数値に設定できますが, 通常はゼロまたは1です。AEADアルゴリズムの一部としてワンタイム認証器鍵を生成するなど, ゼロブロックを他の目的に使用する場合は, 1を使用することが理にかなっています。

  • 96ビットnonce。一部のプロトコルでは, これは初期化ベクトル (Initialization Vector) として知られています。

  • 任意の長さの平文

出力は同じ長さの暗号化されたメッセージ, または「暗号文」です。

復号化は同じ方法で行われます。ChaCha20ブロック関数は鍵を鍵ストリームに展開するために使用され, これは暗号文とXORされて平文を返します。

2.4.1 The ChaCha20 Encryption Algorithm in Pseudocode (疑似コードのChaCha20暗号化アルゴリズム)​

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 (ChaCha20暗号の例とテストベクトル)​

テストベクトルとして, ChaCha20ブロック関数への次の入力を使用します:

  • 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.

平文には次のものを使用します。1ブロック以上を必要とするのに十分な長さですが, この例を面倒にするほど長くはありません (つまり, 3ブロック未満):

Plaintext Sunscreen: (平文日焼け止め)

000  4c 61 64 69 65 73 20 61 6e 64 20 47 65 6e 74 6c  Ladies and Gentl
016  65 6d 65 6e 20 6f 66 20 74 68 65 20 63 6c 61 73  emen of the clas
032  73 20 6f 66 20 27 39 39 3a 20 49 66 20 49 20 63  s of '99: If I c
048  6f 75 6c 64 20 6f 66 66 65 72 20 79 6f 75 20 6f  ould offer you o
064  6e 6c 79 20 6f 6e 65 20 74 69 70 20 66 6f 72 20  nly one tip for 
080  74 68 65 20 66 75 74 75 72 65 2c 20 73 75 6e 73  the future, suns
096  63 72 65 65 6e 20 77 6f 75 6c 64 20 62 65 20 69  creen would be i
112  74 2e                                            t.

次の図は4つのChaCha状態行列を示しています:

  1. 設定された最初のブロック。

  2. 設定された2番目のブロック。これらのブロックは2ビットしか離れていないことに注意してください -- 位置12のカウンタのみが異なります。

  3. 3番目のブロックは, ChaCha20ブロック操作が適用された後の最初のブロックです。

  4. 最後のブロックは, ChaCha20ブロック操作が適用された後の2番目のブロックです。

その後, 鍵ストリームを示します。

First block setup: (最初のブロック設定)

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

Second block setup: (2番目のブロック設定)

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

First block after block operation: (ブロック操作後の最初のブロック)

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

Second block after block operation: (ブロック操作後の2番目のブロック)

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

Keystream: (鍵ストリーム)

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

最後に, 鍵ストリームと平文をXORして暗号文を生成します:

Ciphertext Sunscreen: (暗号文日焼け止め)

000  6e 2e 35 9a 25 68 f9 80 41 ba 07 28 dd 0d 69 81  n.5.%h..A..(..i.
016  e9 7e 7a ec 1d 43 60 c2 0a 27 af cc fd 9f ae 0b  .~z..C`..'......
032  f9 1b 65 c5 52 47 33 ab 8f 59 3d ab cd 62 b3 57  ..e.RG3..Y=..b.W
048  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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