Что такое ChaCha20?

ChaCha20 — это высокоскоростной, легковесный и высокозащищенный 256-битный шифр с симметричным ключом, используемый для зашифрования и расшифрования данных. Он был разработан Дэниелом Дж. Бернштейном как улучшенная версия более раннего шифра под названием Salsa20. Цель состояла в том, чтобы создать алгоритм, который был бы одновременно эффективным и безопасным, особенно в программном обеспечении.

ChaCha20 зашифровывает данные путем генерации потока безопасных псевдослучайных байтов и объединения этого потока с исходным сообщением. В результате получаются зашифрованные данные, которые кажутся случайными для всех, у кого нет секретного ключа.

Поскольку для зашифрования и расшифрования данных используется один и тот же ключ, ChaCha20 работает намного быстрее, чем RSA — асимметричный алгоритм, в котором используются открытый ключ и закрытый ключ. RSA полезен для обмена ключами и создания подписей, но ChaCha20 лучше подходит для зашифрования больших объемов интернет-трафика.

На высоком уровне ChaCha20 принимает три входных параметра: секретный ключ, одноразовый номер (nonce — уникальное значение, используемое для каждого шифрования) и счетчик (помогающий генерировать различные выходные блоки). Он использует эти значения для инициализации внутреннего состояния, которое затем многократно перемешивается для создания потока безопасных псевдослучайных байтов, известного как ключевой поток.

Этот процесс перемешивания основан на трех простых операциях — сложении, XOR и побитовом сдвиге, — которые применяются в течение 20 раундов для тщательного перемешивания данных. Полученный ключевой поток затем объединяется с простым текстом для получения шифротекста — зашифрованных данных.

ChaCha20 решает практическую проблему современной безопасности: как получить надежное шифрование, эффективное и стабильное на многих устройствах. Он очень быстро работает в программном обеспечении, хорошо показывает себя на телефонах, небольших устройствах и старых процессорах, а также основан на простых операциях, которые компьютеры выполняют эффективно (сложение, XOR, сдвиг).

Эти функции делают его привлекательным для использования в таких системах, как TLS, VPN(новое окно), SSH и приложениях для обмена сообщениями. Например, ChaCha20 используется в VPN-протоколе(новое окно) WireGuard®(новое окно) для обеспечения быстрого и безопасного шифрования с высокой производительностью даже на устройствах, не имеющих специализированного аппаратного ускорения AES.

Шифрование AES является давно признанным стандартом и работает чрезвычайно быстро на процессорах со встроенной аппаратной поддержкой AES. Благодаря этому оно особенно хорошо работает на многих настольных компьютерах, серверах и новых мобильных чипах. Однако без аппаратной поддержки AES программная реализация AES может быть медленнее и иногда ее сложнее реализовать безопасно. В отличие от этого, ChaCha20 разработан для очень быстрой работы в обычном программном обеспечении, поскольку использует простые операции, такие как сложение, XOR и сдвиг, которые эффективно работают практически на любом процессоре.

Если приложение предлагает как AES, так и ChaCha20, вам обычно не нужно выбирать один из них вручную, поскольку большинство современных приложений автоматически выбирают оптимальный вариант в зависимости от вашего устройства и процессора. В целом, AES работает лучше всего на более новых устройствах со встроенной поддержкой AES, в то время как ChaCha20 является более предпочтительным выбором на устройствах, где шифрование выполняется в основном программно, например на некоторых телефонах, маломощном оборудовании или старых процессорах.

ChaCha20 считается безопасным по современным стандартам при правильной реализации и использовании уникального одноразового числа для каждого шифрования.