ChaCha20 密码算法：从原理到代码实现的全方位解析【附源码】

1. 引言：为什么需要 ChaCha20？

在密码学领域，AES（高级加密标准）长期占据主流地位，但它有一个 “软肋”—— 在无硬件加速（如 AES-NI 指令集）的设备（如物联网传感器、低端手机、嵌入式系统）上性能拉胯。此外，AES 的查表操作容易受到 “侧信道攻击”（通过功耗、时序等物理信息泄露密钥）。

为解决这些问题，著名密码学家丹尼尔・伯恩斯坦（Daniel J. Bernstein）设计了ChaCha20—— 一种轻量级、高安全性、高性能的流密码。2015 年，IETF 发布RFC7539（《ChaCha20 and Poly1305 for IETF Protocols》），将 ChaCha20 标准化，使其成为 TLS、WireGuard 等协议的核心加密算法。

本文将从原理出发，结合 RFC7539 标准和 openHiTLS 的开源实现，带您彻底搞懂 ChaCha20。

2. ChaCha20 核心原理：从 RFC7539 说起

ChaCha20 的核心是通过 “轮次变换” 生成伪随机密钥流，再与明文 / 密文进行异或操作实现加解密（流密码的典型逻辑）。RFC7539 详细定义了其状态结构、轮次规则和密钥流生成流程，我们逐一拆解。

2.1 状态矩阵：ChaCha20 的 “骨架”

ChaCha20 的所有操作都围绕一个16×32 位的状态矩阵（共 512 位）展开，矩阵分为 4 个部分，严格遵循 RFC7539-2.3 的定义：

位置（0-15）	内容	来源与说明	长度（32 位整数）
0-3	固定常数	对应字符串 “expand 32-byte k” 的小端字节序	4 个
4-11	256 位密钥	密钥按小端字节序拆分为 8 个 32 位整数	8 个
12	块计数器（Counter）	32 位整数，每生成 64 字节密钥流自增 1	1 个
13-15	96 位随机数（Nonce）	Nonce 按小端字节序拆分为 3 个 32 位整数	3 个

关键注意点（RFC7539 强制要求）：

• Nonce 必须 “一次性使用”：同一密钥下，Nonce 重复会导致密钥流重复，攻击者可通过异或密文还原明文；
• 计数器初始值通常为 1（RFC7539-2.4）：0 号块预留用于生成 Poly1305 的认证密钥（ChaCha20-Poly1305 AEAD 方案）。

2.2 轮次变换：密钥流的 “发动机”

ChaCha20 通过20 轮变换（10 次迭代，每次迭代含 “列混淆” 和 “对角线混淆”）打乱状态矩阵，生成伪随机数据。核心操作是 “四分之一轮”（QUARTERROUND），RFC7539-2.1 定义其逻辑为：

1. a += b：32 位无符号加法（溢出忽略）；
2. d ^= a：异或操作；
3. d = ROTL32(d, 16)：d 循环左移 16 位；
4. 重复类似步骤操作 c、b（左移 12 位、8 位、7 位）。

2.2.1 完整轮次流程（RFC7539-2.3）

1 次迭代 = 列混淆 + 对角线混淆：

• 列混淆：对矩阵 4 列分别执行 QUARTERROUND（列 0：0→4→8→12；列 1：1→5→9→13；列 2：2→6→10→14；列 3：3→7→11→15）；
• 对角线混淆：对 4 条对角线分别执行 QUARTERROUND（对角线 0：0→5→10→15；对角线 1：1→6→11→12；对角线 2：2→7→8→13；对角线 3：3→4→9→14）；
• 重复 10 次迭代，共 20 轮变换。

用 mermaid 流程图直观展示：

2.3 密钥流生成与加解密

ChaCha20 的加解密逻辑完全对称（异或的可逆性）：

1. 加密：明文字节 × 密钥流字节 = 密文字节；
2. 解密：密文字节 × 密钥流字节 = 明文字节。

密钥流生成规则（RFC7539-2.3）：

• 每次 20 轮变换生成 64 字节密钥流；
• 密钥流生成后，计数器（state [12]）自增 1，准备下一块数据；
• 若明文长度不足 64 字节，仅取密钥流的前 N 字节异或。

3. openHiTLS 开源实现解析：ChaCha20 代码实战

openHiTLS 是华为开源的轻量级密码库，其 ChaCha20 实现严格遵循 RFC7539。我们以chacha20.c（代码链接）为例，解析核心函数的逻辑。

3.1 核心宏定义：QUARTERROUND 的实现

对应 RFC7539-2.1 的四分之一轮操作，openHiTLS 用宏定义封装，确保高效执行：

// RFC7539-2.1 定义的四分之一轮操作
#define QUARTER(a, b, c, d) \
do { \
    (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);  \
} while (0)

// 对状态矩阵的指定位置执行QUARTERROUND
#define QUARTERROUND(state, a, b, c, d) QUARTER((state)[(a)], (state)[(b)], (state)[(c)], (state)[(d)])

• ROTL32：32 位循环左移函数（openHiTLS 内部实现）；
• 宏定义采用do-while(0)结构：避免多语句宏在条件判断中出现逻辑错误。

3.2 设置密钥：CRYPT_CHACHA20_SetKey

对应 RFC7539-2.3 的状态矩阵初始化，函数负责将 256 位密钥填入状态矩阵：

int32_t CRYPT_CHACHA20_SetKey(CRYPT_CHACHA20_Ctx *ctx, const uint8_t *key, uint32_t keyLen) {
    // 1. 输入合法性检查（安全编程基础）
    if (ctx == NULL || key == NULL || keyLen == 0) {
        BSL_ERR_PUSH_ERROR(CRYPT_NULL_INPUT);
        return CRYPT_NULL_INPUT;
    }
    // 密钥长度必须为32字节（256位，RFC7539强制要求）
    if (keyLen != CHACHA20_KEYLEN) { // CHACHA20_KEYLEN = 32
        BSL_ERR_PUSH_ERROR(CRYPT_CHACHA20_KEYLEN_ERROR);
        return CRYPT_CHACHA20_KEYLEN_ERROR;
    }

    // 2. 初始化状态矩阵的“常数部分”（对应“expand 32-byte k”小端）
    ctx->state[0] = 0x61707865; // 'expa'（小端：0x65 0x78 0x70 0x61 → 0x61707865）
    ctx->state[1] = 0x3320646e; // 'nd 3'
    ctx->state[2] = 0x79622d32; // '2-by'
    ctx->state[3] = 0x6b206574; // 'te k'

    // 3. 填充“密钥部分”（小端字节序，RFC7539要求）
    // GET_UINT32_LE：从字节流中取4字节，按小端转换为32位整数
    ctx->state[4] = GET_UINT32_LE(key, 0);  // 密钥第0-3字节
    ctx->state[5] = GET_UINT32_LE(key, 4);  // 密钥第4-7字节
    ctx->state[6] = GET_UINT32_LE(key, 8);  // 密钥第8-11字节
    ctx->state[7] = GET_UINT32_LE(key, 12); // 密钥第12-15字节
    ctx->state[8] = GET_UINT32_LE(key, 16); // 密钥第16-19字节
    ctx->state[9] = GET_UINT32_LE(key, 20); // 密钥第20-23字节
    ctx->state[10] = GET_UINT32_LE(key, 24); // 密钥第24-27字节
    ctx->state[11] = GET_UINT32_LE(key, 28); // 密钥第28-31字节

    // 4. 初始化计数器（RFC7539-2.4：通常设为1，0号块预留）
    ctx->state[12] = 1;

    // 5. 标记密钥已设置
    ctx->set |= KEYSET;
    ctx->lastLen = 0;
    return CRYPT_SUCCESS;
}

3.3 设置 Nonce：CRYPT_CHACHA20_SetNonce

Nonce 是 96 位（12 字节），函数负责将其填入状态矩阵的 13-15 位置：

static int32_t CRYPT_CHACHA20_SetNonce(CRYPT_CHACHA20_Ctx *ctx, const uint8_t *nonce, uint32_t nonceLen) {
    // 1. 输入合法性检查
    if (ctx == NULL || nonce == NULL) {
        BSL_ERR_PUSH_ERROR(CRYPT_NULL_INPUT);
        return CRYPT_NULL_INPUT;
    }
    // Nonce长度必须为12字节（96位，RFC7539强制要求）
    if (nonceLen != CHACHA20_NONCELEN) { // CHACHA20_NONCELEN = 12
        BSL_ERR_PUSH_ERROR(CRYPT_CHACHA20_NONCELEN_ERROR);
        return CRYPT_CHACHA20_NONCELEN_ERROR;
    }

    // 2. 填充“Nonce部分”（小端字节序）
    ctx->state[13] = GET_UINT32_LE(nonce, 0);  // Nonce第0-3字节
    ctx->state[14] = GET_UINT32_LE(nonce, 4);  // Nonce第4-7字节
    ctx->state[15] = GET_UINT32_LE(nonce, 8);  // Nonce第8-11字节

    // 3. 标记Nonce已设置
    ctx->set |= NONCESET;
    ctx->lastLen = 0;
    return CRYPT_SUCCESS;
}

3.4 生成密钥流块：CHACHA20_Block

函数执行 20 轮变换，生成 64 字节密钥流，是 ChaCha20 的核心计算逻辑：

void CHACHA20_Block(CRYPT_CHACHA20_Ctx *ctx) {
    uint32_t i;
    // 1. 保存初始状态矩阵（后续需与变换后矩阵相加）
    (void)memcpy_s(ctx->last.c, CHACHA20_STATEBYTES, ctx->state, sizeof(ctx->state));
    // CHACHA20_STATEBYTES = 64（16×4字节）

    // 2. 执行10次迭代（共20轮变换，RFC7539-2.3）
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        // 列混淆
        QUARTERROUND(ctx->last.c, 0, 4, 8, 12);  // 列0
        QUARTERROUND(ctx->last.c, 1, 5, 9, 13);  // 列1
        QUARTERROUND(ctx->last.c, 2, 6, 10, 14); // 列2
        QUARTERROUND(ctx->last.c, 3, 7, 11, 15); // 列3

        // 对角线混淆
        QUARTERROUND(ctx->last.c, 0, 5, 10, 15); // 对角线0
        QUARTERROUND(ctx->last.c, 1, 6, 11, 12); // 对角线1
        QUARTERROUND(ctx->last.c, 2, 7, 8, 13);  // 对角线2
        QUARTERROUND(ctx->last.c, 3, 4, 9, 14);  // 对角线3
    }

    // 3. 与初始状态矩阵相加（RFC7539要求），并转换为小端字节流
    for (i = 0; i < CHACHA20_STATESIZE; i++) { // CHACHA20_STATESIZE = 16
        ctx->last.c[i] += ctx->state[i];
        // CRYPT_HTOLE32：将主机字节序转换为小端字节序
        ctx->last.c[i] = CRYPT_HTOLE32(ctx->last.c[i]);
    }

    // 4. 计数器自增（准备下一块密钥流）
    ctx->state[12]++;
}

3.5 数据加解密：CRYPT_CHACHA20_Update

函数将明文 / 密文与密钥流异或，实现核心加解密逻辑：

int32_t CRYPT_CHACHA20_Update(CRYPT_CHACHA20_Ctx *ctx, const uint8_t *in, uint8_t *out, uint32_t len) {
    // 1. 输入合法性检查（需先设置密钥和Nonce）
    if (ctx == NULL || out == NULL || in == NULL || len == 0) {
        BSL_ERR_PUSH_ERROR(CRYPT_NULL_INPUT);
        return CRYPT_NULL_INPUT;
    }
    if ((ctx->set & KEYSET) == 0) { // 未设置密钥
        BSL_ERR_PUSH_ERROR(CRYPT_CHACHA20_NO_KEYINFO);
        return CRYPT_CHACHA20_NO_KEYINFO;
    }
    if ((ctx->set & NONCESET) == 0) { // 未设置Nonce
        BSL_ERR_PUSH_ERROR(CRYPT_CHACHA20_NO_NONCEINFO);
        return CRYPT_CHACHA20_NO_NONCEINFO;
    }

    // （注：省略后续异或逻辑，核心是循环调用CHACHA20_Block生成密钥流，再与in异或写入out）
}

4. ChaCha20 的优势：安全性与性能双在线

4.1 安全性：抗攻击能力拉满

• 密钥强度：256 位密钥，暴力破解几乎不可能；
• 抗侧信道攻击：无 AES 的查表操作，功耗 / 时序泄露风险低；
• 标准化保障：RFC7539 严格定义，避免实现漏洞（如 openHiTLS 的实现完全遵循标准）；
• Nonce 防护：RFC7539 明确 Nonce 唯一性要求，避免密钥流重复风险。

4.2 性能：资源受限设备的 “救星”

在无 AES-NI 的设备上，ChaCha20 的吞吐量远超 AES-128：

设备类型	ChaCha20 吞吐量	AES-128-CBC 吞吐量
低端 ARM 嵌入式	~150 MB/s	~80 MB/s
物联网传感器	~50 MB/s	~20 MB/s
无加速的 PC	~300 MB/s	~180 MB/s

因：ChaCha20 的操作仅含加法、异或、循环左移，无需复杂的 S 盒查表，硬件实现成本低。

5. 应用场景：ChaCha20 在哪里发光？

1. TLS 协议：RFC7905 定义了TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256套件，成为移动浏览器（如 Chrome、Firefox）的默认选择；
2. WireGuard VPN：全链路使用 ChaCha20-Poly1305，兼顾速度与安全；
3. 物联网：传感器、智能设备的端到端加密（如 LoRaWAN 协议）；
4. 即时通讯：Signal、WhatsApp 等应用用 ChaCha20 加密消息内容；
5. 嵌入式系统：路由器、智能家居设备的配置文件加密。

6. 总结与展望

ChaCha20 凭借 “高安全性、高性能、低资源消耗” 的特点，成为 AES 的重要补充，尤其在物联网和移动领域。RFC7539 的标准化使其实现更统一（如 openHiTLS 的开源代码），降低了应用门槛。

未来，随着量子计算的发展，ChaCha20 可能需要与后量子密码结合（如 openHiTLS 正在探索的后量子算法），但在当前场景下，它仍是最可靠的流密码之一。

如果您想深入学习，建议：

1. 阅读 RFC7539 原文（链接）；
2. openHiTLS 开源仓库：chacha20.c
3. 丹尼尔・伯恩斯坦：《ChaCha, a variant of Salsa20》