BLAKE 哈希函数 及 ChaCha20流密码

1. 引言

BLAKE和BLAKE2为基于Dan Bernstein的ChaCha流密码的哈希函数。

BLAKE作为SHA-3算法的竞争者之一，在最后一轮输给了Keccak。

ChaCha基于4x4 array of words操作。而BLAKE重复将8-word哈希值与16个message words结合，将其ChaCha结果裁剪获得下一个哈希值。

与SHA-2算法类似，BLAKE也主要分为BLAKE-256和BLAKE-512。

BLAKE系列哈希算法有：

• BLAKE-256：使用32-bit words，输出的digest size为256 bit。
• BLAKE-224：使用32-bit words，输出的digest size为224 bit。
• BLAKE-512：使用64-bit words，输出的digest size为512 bit。
• BLAKE-384：使用64-bit words，输出的digest size为384 bit。

2. BLAKE2

BLAKE2为对BLAKE的改进版本，于2012年12月提出。BLAKE2与BLAKE的具体差异在于：

• BLAKE2移除了BLAKE round函数中的message words与常量的加法运算。
• BLAKE2改了2个rotation常量
• BLAKE2简化了padding
• BLAKE2增加了parameter block，该parameter block会与初始向量进行XOR运算
• BLAKE2b（BLAKE-512的继任者）：将round数由16减为12。
• BLAKE2s（BLAKE-256的继任者）：将round数由14减为10。

3. ChaCha20

ChaCha流密码由Dan Bernstein于2008年发明，在Salsa基础上进行了改进。由于其具有20轮的加密运算，因此也称为ChaCha20。每一轮包含如下4次“quarter-round”函数运算：

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

其中a,b,c,d为32-bit words，<<<为bitwise left rotation。

Mina中对ChaCha的以上4个“quarter-round”函数分别进行了circuit constraint设计，分别实现了相应的gate：

• ChaCha0 gate：对应a += b; d ^= a; d <<<= 16;
• ChaCha1 gate：对应c += d; b ^= c; b <<<= 12;
• ChaCha2 gate：对应a += b; d ^= a; d <<<= 8;
• ChaChaFinal gate：对应c += d; b ^= c; b <<<= 7;

参考资料

[1] BLAKE (hash function)
[2] The ChaCha Stream Cipher for Transport Layer Security
[3] chacha20-poly1305