Salsa20

Salsa20 dan saudara terdekatnya, ChaCha, adalah penyandian aliran yang dikembangkan oleh Daniel J. Bernstein. Salsa20, sandi aslinya, didesain pada tahun 2005, lalu dikumpulkan ke eSTREAM oleh Bernstein. ChaCha adalah perubahan dari Salsa20 yang dipublikasikan pada tahun 2008. Ia menggunakan fungsi ronde baru yang meningkatkan penghamburan dan meningkatkan kinerja pada beberapa arsitektur.^[4]

Salsa20

Fungsi seperempat ronde Salsa. Empat salinan paralel membuat satu ronde.
Informasi umum
Pendesain	Daniel J. Bernstein
Pertama kali dipublikasikan	2007 (didesain 2005)[1]
Penerus	ChaCha
Terkait dengan	Rumba20
Sertifikasi	Portofolio eSTREAM
Detail penyandian
Ukuran kunci	128 atau 256 bit
Ukuran status	512 bit
Struktur	ARX (tambah-putar-XOR)
Ronde	20
Kecepatan	3,91 siklus per bita pada Intel Core 2 Duo[2]
Analisis kriptografi publik terbaik
Analisis kriptografi pada tahun 2008 memecahkan 8 dari 20 ronde untuk memulihkan kunci rahasia 256 bit dalam 2251 operasi dengan 231 pasangan aliran kunci.[3]

Kedua penyandian tersebut dibangun dari fungsi acak semu berdasarkan operasi tambah-putar-XOR (ARX). Tugas utamanya adalah pemetaan sebuah kunci 256 bit, sebuah nonce 64 bit, dan sebuah pencacah 64 bit ke blok aliran kunci 512 bit (ada pula versi Salsa yang menggunakan kunci 128 bit). Hal ini memberikan Salsa20 dan Chaca keuntungan, yaitu pengguna dapat langsung menuju ke lokasi tertentu dalam aliran kunci dalam waktu tetap (konstan). Salsa20 menawarkan kecepatan 4–14 siklus per bita dalam perangkat lunak pada prosesor x86^[2] dan kinerja perangkat keras yang cukup. Sandi ini tidak dipatenkan, bahkan Bernstein telah menulis beberapa implementasi dalam domain publik yang dioptimalkan untuk arsitektur pada umumnya.^[5]

Struktur

Secara internal, penyandian ini menggunakan penjumlahan per bit dengan (⊕ atau XOR), penjumlahan 32 bit dengan mod 2³² (⊞), dan operasi geseran melingkar berjarak tetap (<<<). Penggunaan operasi tambah-putar-XOR menghindari peluang serangan pewaktuan dalam penerapan perangkat lunak. Status internalnya terdiri dari 16 kata 32 bit yang disusun dalam matriks 4×4.

0	1	2	3
4	5	6	7
8	9	10	11
12	13	14	15

Status internalnya terdiri dari   delapan kata untuk kunci,   dua kata untuk letak aliran,   dua kata untuk nilai yang dipakai sekali (nonce; intinya bit-bit tambahan untuk letak aliran), dan   empat kata tetapan:

Status awal Salsa20

"expa"	Kunci	Kunci	Kunci
Kunci	"nd 3"	Nonce	Nonce
Letak	Letak	"2-by"	Kunci
Kunci	Kunci	Kunci	"te k"

Kata-kata tetapan berbunyi "expand 32-byte k" dalam ASCII (empat kata tersebut adalah "expa", "nd 3", "2-by", dan "te k"). Ini adalah contoh bilangan tanpa tujuan khusus. Inti operasi dalam Salsa20 adalah seperempat ronde QR(a, b, c, d) yang menerima empat kata sebagai masukan dan menghasilkan empat kata:

b ^= (a + d) <<< 7;
c ^= (b + a) <<< 9;
d ^= (c + b) <<< 13;
a ^= (d + c) <<< 18;

Ronde bernomor ganjil menerapkan QR(a, b, c, d) kepada tiap kolom dalam matriks 4×4, sedangkan ronde bernomor genap menerapkannya kepada tiap baris. Dua ronde berturutan (ronde kolom dan ronde baris) disebut sebagai ronde ganda:

// Ronde ganjil
QR( 0,  4,  8, 12)	// kolom 1
QR( 5,  9, 13,  1)	// kolom 2
QR(10, 14,  2,  6)	// kolom 3
QR(15,  3,  7, 11)	// kolom 4
// Ronde genap
QR( 0,  1,  2,  3)	// baris 1
QR( 5,  6,  7,  4)	// baris 2
QR(10, 11,  8,  9)	// baris 3
QR(15, 12, 13, 14)	// baris 4

Berikut penerapan Salsa20 dalam C/C++.

#include <stdint.h>
#define ROTL(a,b) (((a) << (b)) | ((a) >> (32 - (b))))
#define QR(a, b, c, d)(		\
	b ^= ROTL(a + d, 7),	\
	c ^= ROTL(b + a, 9),	\
	d ^= ROTL(c + b,13),	\
	a ^= ROTL(d + c,18))
#define ROUNDS 20
 
void salsa20_block(uint32_t out[16], uint32_t const in[16])
{
	int i;
	uint32_t x[16];

	for (i = 0; i < 16; ++i)
		x[i] = in[i];
	// 10 perulangan × 2 ronde/perulangan = 20 ronde
	for (i = 0; i < ROUNDS; i += 2) {
		// Ronde ganjil
		QR(x[ 0], x[ 4], x[ 8], x[12]);	// kolom 1
		QR(x[ 5], x[ 9], x[13], x[ 1]);	// kolom 2
		QR(x[10], x[14], x[ 2], x[ 6]);	// kolom 3
		QR(x[15], x[ 3], x[ 7], x[11]);	// kolom 4
		// Ronde genap
		QR(x[ 0], x[ 1], x[ 2], x[ 3]);	// baris 1
		QR(x[ 5], x[ 6], x[ 7], x[ 4]);	// baris 2
		QR(x[10], x[11], x[ 8], x[ 9]);	// baris 3
		QR(x[15], x[12], x[13], x[14]);	// baris 4
	}
	for (i = 0; i < 16; ++i)
		out[i] = x[i] + in[i];
}

Pada baris terakhir, larik yang telah tercampur ditambahkan, kata demi kata, ke larik asal untuk mendapatkan blok aliran kunci 64 bita. Hal ini penting karena ronde pencampuran ini dengan sendirinya bisa dibalik (invertible). Dengan kata lain, operasi yang dibalik bisa menghasilkan matriks 4×4 asal, termasuk kuncinya. Penambahan larik yang telah tercampur ke asalnya membuatnya tidak mungkin untuk memulihkan input. (Teknik ini juga dipakai dalam fungsi hash dari MD4 sampai SHA-2.)

Salsa20 melakukan 20 ronde pencampuran dari inputnya.^[1] Namun, pengurangan ronde pada varian Salsa20/8 dan Salsa20/12 dengan 8 dan 12 ronde juga dikenalkan.

Analisis kriptografi Salsa20

Varian ChaCha

ChaCha

Fungsi seperempat ronde ChaCha. Empat salinan paralel membuat satu ronde.
Informasi umum
Pendesain	Daniel J. Bernstein
Pertama kali dipublikasikan	2008
Penerus	Salsa20
Terkait dengan	Rumba20
Detail penyandian
Ukuran kunci	128 atau 256 bit
Ukuran status	512 bit
Struktur	ARX (tambah-putar-XOR)
Ronde	20
Kecepatan	3,95 siklus per bita pada Intel Core 2 Duo[4]

Pada tahun 2008, Bernstein memublikasikan keluarga ChaCha yang bersaudara dengan Salsa dan bertujuan untuk meningkatkan penghamburan per ronde sekaligus memiliki kinerja yang sama atau lebih baik.^[6] Makalah Aumasson dkk. juga menyerang ChaCha dan berhasil hingga satu ronde lebih sedikit: untuk 256 bit, ChaCha6 dengan kompleksitas 2¹³⁹ dan ChaCha7 dengan kompleksitas 2²⁴⁸. Untuk 128 bit, ChaCha6 dalam 2¹⁰⁷ juga tercapai, tetapi mengeklaim bahwa serangan tersebut gagal memecahkan ChaCha7 128 bit.^[3]

Seperti Salsa20, status awal ChaCha terdiri dari 128 bit tetapan, 256 bit kunci, 64 bit pencacah, dan 64 bit nilai yang hanya dipakai sekali (nonce) dan ditata sebagai matriks 4×4 dari kata 32 bit. Namun, ChaCha menata ulang beberapa kata dalam status awalnya:

Status awal of ChaCha

"expa"	"nd 3"	"2-by"	"te k"
Kunci	Kunci	Kunci	Kunci
Kunci	Kunci	Kunci	Kunci
Letak	Letak	Nonce	Nonce

Tetapan yang dipakai sama dengan Salsa20 ("expand 32-byte k"). ChaCha mengganti seperempat ronde Salsa20 QR(a, b, c, d) dengan berikut:

a += b; d ^= a; d <<<= 16;
c += d; b ^= c; b <<<= 12;
a += b; d ^= a; d <<<= 8;
c += d; b ^= c; b <<<= 7;

Perhatikan bahwa versi ini memperbarui tiap kata dua kali, sedangkan seperempat ronde Salsa20 hanya memperbarui tiap kata sekali. Selain itu, seperempat ronde ChaCha menghamburkan perubahan lebih cepat. Rata-rata, setelah mengganti satu bit input, seperempat ronde Salsa20 akan mengganti 8 bit keluaran, sedangkan ChaCha akan mengganti 12,5 bit keluaran.^[4]

Seperempat ronde ChaCha memiliki jumlah pertambahan, XOR, dan geseran melingkar yang sama dengan seperempat ronde Salsa20. Namun, karena dua geseran melingkar kelipatan 8, ada pengoptimalan pada beberapa arsitektur, termasuk x86.^[7] Terlebih lagi, pemformatan input telah ditata untuk mendukung pengoptimalan penerapan SSE yang efisien. Alih-alih pergantian ronde kolom dan ronde baris, yang dipakai adalah pergantian ronde kolom dan diagonal.^[4] Seperti Salsa20, ChaCha menata enam belas kata 32 bit dalam matriks 4×4. Berikut indeks elemen matriks dari 0 sampai 15.

0	1	2	3
4	5	6	7
8	9	10	11
12	13	14	15

ChaCha20 menggunakan 10 perulangan ronde ganda.^[8] Ronde ganda ChaCha adalah sebagai berikut:

// Ronde ganil
QR(0, 4,  8, 12)	// kolom 1
QR(1, 5,  9, 13)	// kolom 2
QR(2, 6, 10, 14)	// kolom 3
QR(3, 7, 11, 15)	// kolom 4
// Ronde genap
QR(0, 5, 10, 15)	// diagonal 1 (diagonal utama)
QR(1, 6, 11, 12)	// diagonal 2
QR(2, 7,  8, 13)	// diagonal 3
QR(3, 4,  9, 14)	// diagonal 4

Berikut penerapan ChaCha20 dalam C/C++.

#define ROTL(a,b) (((a) << (b)) | ((a) >> (32 - (b))))
#define QR(a, b, c, d) (			\
	a += b,  d ^= a,  d = ROTL(d,16),	\
	c += d,  b ^= c,  b = ROTL(b,12),	\
	a += b,  d ^= a,  d = ROTL(d, 8),	\
	c += d,  b ^= c,  b = ROTL(b, 7))
#define ROUNDS 20
 
void chacha_block(uint32_t out[16], uint32_t const in[16])
{
	int i;
	uint32_t x[16];

	for (i = 0; i < 16; ++i)	
		x[i] = in[i];
	// 10 perulangan × 2 ronde/perulangan = 20 ronde
	for (i = 0; i < ROUNDS; i += 2) {
		// Ronde ganjil
		QR(x[0], x[4], x[ 8], x[12]); // kolom 0
		QR(x[1], x[5], x[ 9], x[13]); // kolom 1
		QR(x[2], x[6], x[10], x[14]); // kolom 2
		QR(x[3], x[7], x[11], x[15]); // kolom 3
		// Ronde genap
		QR(x[0], x[5], x[10], x[15]); // diagonal 1 (diagonal utama)
		QR(x[1], x[6], x[11], x[12]); // diagonal 2
		QR(x[2], x[7], x[ 8], x[13]); // diagonal 3
		QR(x[3], x[4], x[ 9], x[14]); // diagonal 4
	}
	for (i = 0; i < 16; ++i)
		out[i] = x[i] + in[i];
}

ChaCha adalah dasar dari fungsi hash BLAKE, salah satu finalis dalam kompetisi fungsi hash NIST, dan turunan BLAKE2/3 yang diatur agar jauh lebih cepat. Ia juga menentukan varian dengan enam belas kata 64 bit (1024 bit status) dengan tetapan rotasi yang sesuai.

Adopsi ChaCha20

Lihat pula

• Speck, penyandian tambah-putar-XOR yang dikembangkan oleh NSA