ChaCha20 là gì?

ChaCha20 là mật mã khóa đối xứng 256-bit tốc độ cao, nhẹ và có tính bảo mật cao được sử dụng để mã hóa và giải mã dữ liệu. Thuật toán được Daniel J. Bernstein thiết kế như một cải tiến cho mật mã Salsa20 trước đó. Mục tiêu là tạo ra một giải pháp vừa hiệu quả vừa an toàn, đặc biệt là trong phần mềm.

ChaCha20 mã hóa dữ liệu bằng cách tạo ra một luồng byte ngẫu nhiên giả an toàn và kết hợp luồng đó với thư gốc. Kết quả thu được là đầu ra đã mã hóa trông giống như ngẫu nhiên đối với bất kỳ ai không có khóa bí mật.

Do sử dụng cùng một khóa để mã hóa và giải mã dữ liệu, ChaCha20 nhanh hơn nhiều so với RSA, một thuật toán bất đối xứng sử dụng khóa công khai và khóa riêng tư. RSA hữu ích cho việc trao đổi khóa và chữ ký, nhưng ChaCha20 tốt hơn để mã hóa lưu lượng internet dung lượng lớn.

Ở mức độ khái quát, ChaCha20 nhận ba đầu vào: khóa bí mật, nonce (số chỉ sử dụng một lần — giá trị duy nhất được sử dụng cho mỗi lần mã hóa) và bộ đếm (để giúp tạo ra các khối đầu ra khác nhau). Các giá trị này được sử dụng để khởi tạo trạng thái nội bộ, sau đó được trộn liên tục để tạo ra một luồng byte ngẫu nhiên giả bảo mật được gọi là keystream.

Quá trình trộn đó dựa trên ba phép toán đơn giản — phép cộng, XOR và dịch bit — được áp dụng qua 20 vòng để xáo trộn hoàn toàn dữ liệu. Luồng khóa thu được sau đó được kết hợp với văn bản thuần túy để tạo ra bản mã — dữ liệu đã mã hóa.

ChaCha20 giải quyết một vấn đề thực tế trong bảo mật hiện đại: cách có được tính năng mã hóa mạnh mẽ, vừa hiệu quả vừa đáng tin cậy trên nhiều thiết bị. Thuật toán này rất nhanh trong phần mềm, hoạt động tốt trên điện thoại, thiết bị nhỏ và CPU cũ hơn, đồng thời dựa trên các phép toán đơn giản mà máy tính thực hiện tốt (cộng, XOR, dịch chuyển).

Các tính năng này giúp thuật toán trở nên hấp dẫn trong các hệ thống như TLS, VPN(cửa sổ mới), SSH và ứng dụng nhắn tin. Ví dụ: ChaCha20 được sử dụng bởi giao thức VPN(cửa sổ mới) WireGuard®(cửa sổ mới) để cung cấp khả năng mã hóa nhanh chóng, an toàn với hiệu suất mạnh mẽ ngay cả trên các thiết bị thiếu phần cứng AES chuyên dụng.

Mã hóa AES là tiêu chuẩn lâu đời và cực kỳ nhanh trên các bộ xử lý có hỗ trợ phần cứng AES tích hợp. Nhờ đó, phương thức này hoạt động đặc biệt hiệu quả trên nhiều máy tính để bàn, máy chủ và chip di động mới hơn. Tuy nhiên, nếu không có hỗ trợ phần cứng AES, phương thức AES chỉ dùng phần mềm có thể chậm hơn và đôi khi khó triển khai an toàn hơn. Ngược lại, ChaCha20 được thiết kế để hoạt động rất nhanh trong phần mềm thông thường vì sử dụng các phép toán đơn giản như cộng, XOR và dịch chuyển, vốn hoạt động hiệu quả trên hầu hết mọi bộ xử lý.

Nếu ứng dụng cung cấp cả AES và ChaCha20, thông thường không cần chọn thủ công, vì hầu hết các ứng dụng hiện đại sẽ tự động chọn tùy chọn tốt hơn dựa trên thiết bị và bộ xử lý. Nhìn chung, AES hoạt động tốt nhất trên các thiết bị mới hơn có hỗ trợ AES tích hợp sẵn, mentre ChaCha20 là lựa chọn mạnh mẽ hơn trên các thiết bị xử lý mã hóa chủ yếu bằng phần mềm, chẳng hạn như một số điện thoại, phần cứng công suất thấp hoặc CPU cũ hơn.

ChaCha20 được coi là an toàn theo tiêu chuẩn hiện đại khi được triển khai chính xác và sử dụng một nonce duy nhất cho mỗi lần mã hóa.