在单片机串口通信上任何实现chacha20加密

发布者：Stiven 于在单片机串口通信上任何实现chacha20加密留下评论

要实现ChaCha20加密在单片机（如STM32、Arduino等）的串口数据传输中，首先需要理解ChaCha20是一种高效的流加密算法，适用于资源有限的嵌入式系统。它使用256位密钥（或128位）和nonce生成密钥流，然后通过XOR操作加密/解密数据流。串口（UART）传输时，可以在发送数据前加密，在接收端解密。

步骤概述

  1. 准备密钥和nonce：密钥通常为32字节（256位），nonce为12字节（96位）。确保nonce每次传输唯一，以避免重放攻击。
  2. 实现ChaCha20算法：使用C语言实现核心函数。以下是一个标准实现（基于开源库，兼容大多数单片机C编译器，如GCC for ARM或AVR）。
  3. 集成到串口传输：
  • 发送端：加密数据，然后通过UART发送。
  • 接收端：接收数据，然后解密。
  1. 注意事项：
  • 单片机资源有限，选择8轮或12轮ChaCha（nr参数）以优化性能（20轮更安全但更慢）。
  • 需要包含标准头文件如stdint.h、string.h。
  • 测试时，确保字节序为小端（little-endian）。
  • 对于具体单片机（如STM32），使用HAL库或寄存器操作UART；对于Arduino，使用Serial库。

ChaCha20 C实现代码

以下是完整的ChaCha20实现代码（提取自开源实现，支持8/12/20轮）。你可以直接复制到你的项目中，放在chacha.h和chacha.c文件中。 10

chacha.h（头文件）：

ifndef _CHACHA_H

define _CHACHA_H

include

include

typedef struct {
uint32_t state[16];
uint8_t keystream[64];
size_t pos;
uint_t nr;
} ChachaContext;

typedef int error_t; // 简单定义错误类型，0为成功，非0为失败

define NO_ERROR 0

define ERROR_INVALID_PARAMETER -1

error_t chachaInit(ChachaContext *context, uint_t nr, const uint8_t *key,
size_t keyLen, const uint8_t *nonce, size_t nonceLen);

void chachaCipher(ChachaContext *context, const uint8_t *input,
uint8_t *output, size_t length);

void chachaDeinit(ChachaContext *context);

define LOAD32LE(p) ( \

((uint32_t)(((uint8_t *)(p))[0]) << 0) | \
((uint32_t)(((uint8_t *)(p))[1]) << 8) | \
((uint32_t)(((uint8_t *)(p))[2]) << 16) | \
((uint32_t)(((uint8_t *)(p))[3]) << 24) \

)

define STORE32LE(p, v) \

{ \
uint32_t x = (v); \
((uint8_t *)(p))[0] = (uint8_t)(x >> 0); \
((uint8_t *)(p))[1] = (uint8_t)(x >> 8); \
((uint8_t *)(p))[2] = (uint8_t)(x >> 16); \
((uint8_t *)(p))[3] = (uint8_t)(x >> 24); \
}

define ROL32(a, n) (((a) << (n)) | ((a) >> (32 – (n))))

define MIN(a, b) (((a) < (b)) ? (a) : (b))

endif

chacha.c（源文件）：
`c

include “chacha.h”

include // 用于memset

define QUARTER_ROUND(a, b, c, d) \

{ \
a += b; \
d ^= a; \
d = ROL32(d, 16); \
c += d; \
b ^= c; \
b = ROL32(b, 12); \
a += b; \
d ^= a; \
d = ROL32(d, 8); \
c += d; \
b ^= c; \
b = ROL32(b, 7); \
}

error_t chachaInit(ChachaContext *context, uint_t nr, const uint8_t *key,
size_t keyLen, const uint8_t *nonce, size_t nonceLen)
{
uint32_t *w;

if (context == NULL key == NULL nonce == NULL)
return ERROR_INVALID_PARAMETER;

if (nr != 8 && nr != 12 && nr != 20)
return ERROR_INVALID_PARAMETER;

context->nr = nr;
w = context->state;

if (keyLen == 16)
{
w[0] = 0x61707865;
w[1] = 0x3120646E;
w[2] = 0x79622D36;
w[3] = 0x6B206574;
w[4] = LOAD32LE(key);
w[5] = LOAD32LE(key + 4);
w[6] = LOAD32LE(key + 8);
w[7] = LOAD32LE(key + 12);
w[8] = LOAD32LE(key);
w[9] = LOAD32LE(key + 4);
w[10] = LOAD32LE(key + 8);
w[11] = LOAD32LE(key + 12);
}
else if (keyLen == 32)
{
w[0] = 0x61707865;
w[1] = 0x3320646E;
w[2] = 0x79622D32;
w[3] = 0x6B206574;
w[4] = LOAD32LE(key);
w[5] = LOAD32LE(key + 4);
w[6] = LOAD32LE(key + 8);
w[7] = LOAD32LE(key + 12);
w[8] = LOAD32LE(key + 16);
w[9] = LOAD32LE(key + 20);
w[10] = LOAD32LE(key + 24);
w[11] = LOAD32LE(key + 28);
}
else
{
return ERROR_INVALID_PARAMETER;
}

if (nonceLen == 8)
{
w[12] = 0;
w[13] = 0;
w[14] = LOAD32LE(nonce);
w[15] = LOAD32LE(nonce + 4);
}
else if (nonceLen == 12)
{
w[12] = 0;
w[13] = LOAD32LE(nonce);
w[14] = LOAD32LE(nonce + 4);
w[15] = LOAD32LE(nonce + 8);
}
else if (nonceLen == 16)
{
w[12] = LOAD32LE(nonce);
w[13] = LOAD32LE(nonce + 4);
w[14] = LOAD32LE(nonce + 8);
w[15] = LOAD32LE(nonce + 12);
}
else
{
return ERROR_INVALID_PARAMETER;
}

context->pos = 0;
return NO_ERROR;
}

void chachaCipher(ChachaContext *context, const uint8_t *input,
uint8_t *output, size_t length)
{
uint_t i;
uint_t n;
uint8_t *k;

while (length > 0)
{
if (context->pos == 0 || context->pos >= 64)
{
chachaProcessBlock(context);
context->state[12]++;
if (context->state[12] == 0)
{
context->state[13]++;
}
context->pos = 0;
}

  n = MIN(length, 64 - context->pos);
  if (output != NULL)
  {
     k = context->keystream + context->pos;
     if (input != NULL)
     {
        for (i = 0; i < n; i++)
        {
           output[i] = input[i] ^ k[i];
        }
     }
     else
     {
        for (i = 0; i < n; i++)
        {
           output[i] = k[i];
        }
     }
  }

  context->pos += n;
  length -= n;

}
}

static void chachaProcessBlock(ChachaContext *context)
{
uint_t i;
uint32_t w[16];

for (i = 0; i < 16; i++) { w[i] = context->state[i];
}

for (i = 0; i < context->nr; i += 2)
{
QUARTER_ROUND(w[0], w[4], w[8], w[12]);
QUARTER_ROUND(w[1], w[5], w[9], w[13]);
QUARTER_ROUND(w[2], w[6], w[10], w[14]);
QUARTER_ROUND(w[3], w[7], w[11], w[15]);

  QUARTER_ROUND(w[0], w[5], w[10], w[15]);
  QUARTER_ROUND(w[1], w[6], w[11], w[12]);
  QUARTER_ROUND(w[2], w[7], w[8], w[13]);
  QUARTER_ROUND(w[3], w[4], w[9], w[14]);

}

for (i = 0; i < 16; i++) { w[i] += context->state[i];
}

for (i = 0; i < 16; i++) { STORE32LE(context->keystream + i * 4, w[i]);
}
}

void chachaDeinit(ChachaContext *context)
{
memset(context, 0, sizeof(ChachaContext));
}

示例：集成到单片机串口传输

假设使用STM32单片机（使用HAL库），以下是发送端加密并传输的示例代码。接收端类似，只需调用解密（chachaCipher函数对称）。

c

include “chacha.h”

include “stm32f4xx_hal.h” // 假设STM32F4系列，替换为你的芯片

extern UART_HandleTypeDef huart1; // 你的UART句柄

int main(void) {
ChachaContext context;
uint8_t key[32] = {0x00, 0x01, …}; // 32字节密钥，自行填充
uint8_t nonce[12] = {0x00, 0x00, …}; // 12字节nonce
uint8_t plaintext[100] = “Hello, World!”; // 要发送的数据
uint8_t ciphertext[100];
size_t dataLen = strlen((char*)plaintext);

// 初始化ChaCha
chachaInit(&context, 20, key, 32, nonce, 12);  // 20轮，32字节密钥，12字节nonce

// 加密数据
chachaCipher(&context, plaintext, ciphertext, dataLen);

// 通过串口发送加密数据
HAL_UART_Transmit(&huart1, ciphertext, dataLen, HAL_MAX_DELAY);

// 清理
chachaDeinit(&context);

while(1);

}
`

  • 接收端：类似初始化ChaCha（相同密钥和nonce），接收数据后调用chachaCipher(&context, ciphertext, plaintext, dataLen);解密。
  • Arduino示例：替换HAL为Serial.write(ciphertext, dataLen);。

如果你的单片机是其他类型（如8051），需要调整UART函数。测试时，可以先在PC上编译验证，然后移植到单片机。ChaCha20效率高，适合低功耗设备。如果需要Poly1305认证（ChaCha20-Poly1305），可以扩展实现。

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