ChaCha20是一种高效且安全的流密码算法，非常适合在资源受限的单片机(包括STC系列)上使用。下面详细介绍实现方法。
1. 基础实现原理
ChaCha20的核心是通过一个256位密钥和96位nonce(随机数)生成密钥流，然后与明文进行异或运算：
密钥流 = ChaCha20(密钥, nonce, 计数器)
密文 = 明文 ⊕ 密钥流2. 核心算法实现
以下是适用于单片机的简化ChaCha20实现：
#include <stdint.h>
#include <string.h>
// ChaCha20常量
static const uint32_t cha_cha_const[4] = {
0x61707865, 0x3320646e, 0x79622d32, 0x6b206574
};
// Quarter Round操作 (核心运算)
#define ROTL32(x, n) (((x) << (n)) | ((x) >> (32 - (n))))
#define QR(a, b, c, d) \
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);
// ChaCha20块函数
static void chacha20_block(const uint32_t key[8], const uint32_t counter[2],
const uint32_t nonce[3], uint32_t output[16]) {
uint32_t x[16];
int i;
// 初始化状态矩阵
// 常量
memcpy(x, cha_cha_const, sizeof(cha_cha_const));
// 密钥
memcpy(x + 4, key, 8 * sizeof(uint32_t));
// 计数器
memcpy(x + 12, counter, 2 * sizeof(uint32_t));
// Nonce
memcpy(x + 14, nonce, 3 * sizeof(uint32_t));
uint32_t working_state[16];
memcpy(working_state, x, sizeof(x));
// 20轮操作 (10次双轮)
for (i = 0; i < 10; i++) {
// 列轮
QR(working_state[0], working_state[4], working_state[8], working_state[12]);
QR(working_state[1], working_state[5], working_state[9], working_state[13]);
QR(working_state[2], working_state[6], working_state[10], working_state[14]);
QR(working_state[3], working_state[7], working_state[11], working_state[15]);
// 对角轮
QR(working_state[0], working_state[5], working_state[10], working_state[15]);
QR(working_state[1], working_state[6], working_state[11], working_state[12]);
QR(working_state[2], working_state[7], working_state[8], working_state[13]);
QR(working_state[3], working_state[4], working_state[9], working_state[14]);
}
// 加回初始状态
for (i = 0; i < 16; i++) {
output[i] = working_state[i] + x[i];
}
}3. 完整的加密/解密函数
typedef struct {
uint32_t key[8];
uint32_t counter[2]; // 64位计数器
uint32_t nonce[3]; // 96位随机数
uint8_t keystream[64];
uint8_t keystream_pos;
} chacha20_ctx;
// 初始化上下文
void chacha20_init(chacha20_ctx *ctx, const uint8_t key[32],
const uint8_t nonce[12], uint64_t initial_counter) {
memcpy(ctx->key, key, 32);
memcpy(ctx->nonce, nonce, 12);
ctx->counter[0] = (uint32_t)initial_counter;
ctx->counter[1] = (uint32_t)(initial_counter >> 32);
ctx->keystream_pos = 64; // 强制重新生成密钥流
}
// 生成密钥流
static void generate_keystream(chacha20_ctx *ctx) {
chacha20_block(ctx->key, ctx->counter, ctx->nonce, (uint32_t*)ctx->keystream);
ctx->keystream_pos = 0;
// 递增计数器
if (++ctx->counter[0] == 0) {
ctx->counter[1]++;
}
}
// 加密/解密数据
void chacha20_crypt(chacha20_ctx *ctx, const uint8_t *input,
uint8_t *output, size_t len) {
size_t i;
for (i = 0; i < len; i++) {
if (ctx->keystream_pos >= 64) {
generate_keystream(ctx);
}
output[i] = input[i] ^ ctx->keystream[ctx->keystream_pos++];
}
}4. 串口通信集成示例
// 全局加密上下文
chacha20_ctx uart_enc_ctx;
// 初始化加密通信
void uart_encryption_init(void) {
// 预共享密钥 (实际应用中应该安全存储)
uint8_t secret_key[32] = {
0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07,
0x08, 0x09, 0x0A, 0x0B, 0x0C, 0x0D, 0x0E, 0x0F,
0x10, 0x11, 0x12, 0x13, 0x14, 0x15, 0x16, 0x17,
0x18, 0x19, 0x1A, 0x1B, 0x1C, 0x1D, 0x1E, 0x1F
};
// 随机数 (每次通信会话应该不同)
uint8_t nonce[12] = {0};
// 在实际应用中应该使用真随机数生成器
// 这里使用简单示例
for(int i = 0; i < 12; i++) {
nonce[i] = i * 11; // 应该替换为真正的随机字节
}
chacha20_init(&uart_enc_ctx, secret_key, nonce, 0);
}
// 加密并发送数据
void uart_send_encrypted(const uint8_t *data, size_t len) {
uint8_t encrypted[256]; // 根据实际需求调整大小
uint8_t len_byte = (uint8_t)len;
// 加密长度字节
chacha20_crypt(&uart_enc_ctx, &len_byte, &len_byte, 1);
UART_SendByte(len_byte);
// 加密数据
chacha20_crypt(&uart_enc_ctx, data, encrypted, len);
// 发送加密数据
for(size_t i = 0; i < len; i++) {
UART_SendByte(encrypted[i]);
}
}
// 接收并解密数据
size_t uart_receive_decrypted(uint8_t *buffer, size_t max_len) {
uint8_t encrypted_len;
// 接收加密的长度字节
if(!UART_ReceiveByte(&encrypted_len)) {
return 0;
}
// 解密长度
uint8_t data_len = encrypted_len;
chacha20_crypt(&uart_enc_ctx, &encrypted_len, &data_len, 1);
if(data_len > max_len) {
return 0; // 缓冲区太小
}
// 接收加密数据
for(uint8_t i = 0; i < data_len; i++) {
uint8_t encrypted_byte;
if(!UART_ReceiveByte(&encrypted_byte)) {
return 0;
}
buffer[i] = encrypted_byte;
}
// 解密数据
chacha20_crypt(&uart_enc_ctx, buffer, buffer, data_len);
return data_len;
}5. 优化建议
内存优化版本（适合资源极其受限的MCU）
// 最小内存占用的ChaCha20实现
void chacha20_minimal(const uint8_t key[32], const uint8_t nonce[12],
uint64_t counter, const uint8_t *input,
uint8_t *output, size_t len) {
uint32_t state[16];
uint8_t keystream[64];
size_t bytes_processed = 0;
while(bytes_processed < len) {
// 构建状态
memcpy(state, cha_cha_const, 16);
memcpy(state + 4, key, 32);
state[12] = (uint32_t)counter;
state[13] = (uint32_t)(counter >> 32);
memcpy(state + 14, nonce, 12);
// 生成密钥流块
uint32_t working[16];
memcpy(working, state, 64);
// 应用20轮ChaCha
for(int i = 0; i < 10; i++) {
QR(working[0], working[4], working[8], working[12]);
QR(working[1], working[5], working[9], working[13]);
QR(working[2], working[6], working[10], working[14]);
QR(working[3], working[7], working[11], working[15]);
QR(working[0], working[5], working[10], working[15]);
QR(working[1], working[6], working[11], working[12]);
QR(working[2], working[7], working[8], working[13]);
QR(working[3], working[4], working[9], working[14]);
}
// 加回初始状态并转换为字节
for(int i = 0; i < 16; i++) {
uint32_t result = working[i] + state[i];
keystream[i*4] = (uint8_t)(result);
keystream[i*4+1] = (uint8_t)(result >> 8);
keystream[i*4+2] = (uint8_t)(result >> 16);
keystream[i*4+3] = (uint8_t)(result >> 24);
}
// 加密数据
size_t block_remaining = 64;
if(len - bytes_processed < 64) {
block_remaining = len - bytes_processed;
}
for(size_t i = 0; i < block_remaining; i++) {
output[bytes_processed + i] = input[bytes_processed + i] ^ keystream[i];
}
bytes_processed += block_remaining;
counter++;
}
}6. 安全注意事项
- Nonce管理：
- 每个会话使用不同的nonce
- 绝对不要重复使用(密钥, nonce)对
- 可以使用递增计数器或随机数生成器
- 密钥安全：
- 使用安全的密钥生成方法
- 考虑定期更换密钥
- 不要在代码中硬编码生产密钥
- 完整性保护：
- ChaCha20只提供保密性，不提供完整性
- 考虑结合Poly1305认证（ChaCha20-Poly1305 AEAD）
7. 性能考虑
- 内存使用：基本实现需要约200字节RAM
- 计算速度：在48MHz的STC8上，加密1KB数据约需几毫秒
- 优化技巧：
- 使用查表法优化ROTL32操作
- 内联关键函数
- 使用芯片特定的指令集优化
这种实现方案在STC8等增强型8051单片机上是完全可行的，提供了良好的安全性和可接受的性能表现。