ChaCha20-Poly1305 es un algoritmo de cifrado autenticado (AEAD) que combina el cifrado de flujo ChaCha20 con el autenticador Poly1305, ofreciendo alta seguridad y rendimiento.

¿Qué es ChaCha20-Poly1305?

ChaCha20-Poly1305 es un algoritmo AEAD que proporciona tanto confidencialidad como autenticación en una sola operación, siendo más rápido que AES-GCM en muchas plataformas.

Componentes

ChaCha20

  • Stream Cipher: Cifrado de flujo
  • ChaCha: Variante de Salsa20
  • 256-bit key: Clave de 256 bits
  • 96-bit nonce: Nonce de 96 bits
  • 512-bit state: Estado de 512 bits

Poly1305

  • MAC: Código de autenticación de mensajes
  • One-time key: Clave de un solo uso
  • 130-bit security: Seguridad de 130 bits
  • Fast: Muy rápido
  • Secure: Criptográficamente seguro

Características Principales

Seguridad

  • AEAD: Cifrado autenticado
  • Nonce reuse: Resistente a reutilización de nonce
  • Fast: Alto rendimiento
  • Modern: Algoritmo moderno

Rendimiento

  • Software optimized: Optimizado para software
  • No hardware acceleration: No requiere aceleración hardware
  • Parallelizable: Paralelizable
  • Efficient: Muy eficiente

Compatibilidad

  • TLS 1.3: Soporte nativo
  • OpenSSL: Implementación completa
  • libsodium: Librería moderna
  • Wide support: Amplio soporte

Algoritmo ChaCha20

Estado Interno

state = [
    constants[0], constants[1], constants[2], constants[3],
    key[0],       key[1],       key[2],       key[3],
    key[4],       key[5],       key[6],       key[7],
    counter,      nonce[0],     nonce[1],     nonce[2]
]

Función Quarter Round

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def quarter_round(a, b, c, d):
    a += b; d ^= a; d = ((d << 16) | (d >> 16)) & 0xffffffff
    c += d; b ^= c; b = ((b << 12) | (b >> 20)) & 0xffffffff
    a += b; d ^= a; d = ((d << 8)  | (d >> 24)) & 0xffffffff
    c += d; b ^= c; b = ((b << 7)  | (b >> 25)) & 0xffffffff
    return a, b, c, d

Función ChaCha20

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def chacha20_block(key, nonce, counter):
    # Inicializar estado
    state = [0x61707865, 0x3320646e, 0x79622d32, 0x6b206574]  # constants
    state.extend(key)  # key (8 words)
    state.extend([counter, nonce[0], nonce[1], nonce[2]])  # counter + nonce
    
    # 20 rondas (10 rondas dobles)
    working_state = state[:]
    for i in range(10):
        # Column rounds
        working_state[0], working_state[4], working_state[8],  working_state[12] = quarter_round(working_state[0], working_state[4], working_state[8],  working_state[12])
        working_state[1], working_state[5], working_state[9],  working_state[13] = quarter_round(working_state[1], working_state[5], working_state[9],  working_state[13])
        working_state[2], working_state[6], working_state[10], working_state[14] = quarter_round(working_state[2], working_state[6], working_state[10], working_state[14])
        working_state[3], working_state[7], working_state[11], working_state[15] = quarter_round(working_state[3], working_state[7], working_state[11], working_state[15])
        
        # Diagonal rounds
        working_state[0], working_state[5], working_state[10], working_state[15] = quarter_round(working_state[0], working_state[5], working_state[10], working_state[15])
        working_state[1], working_state[6], working_state[11], working_state[12] = quarter_round(working_state[1], working_state[6], working_state[11], working_state[12])
        working_state[2], working_state[7], working_state[8],  working_state[13] = quarter_round(working_state[2], working_state[7], working_state[8],  working_state[13])
        working_state[3], working_state[4], working_state[9],  working_state[14] = quarter_round(working_state[3], working_state[4], working_state[9],  working_state[14])
    
    # Sumar estado original
    for i in range(16):
        working_state[i] = (working_state[i] + state[i]) & 0xffffffff
    
    return working_state

Algoritmo Poly1305

Función Poly1305

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def poly1305(key, message):
    # Clave de 256 bits
    r = key[:16]  # 128 bits
    s = key[16:]  # 128 bits
    
    # Máscara r
    r[3] &= 0x0f
    r[7] &= 0x0f
    r[11] &= 0x0f
    r[15] &= 0x0f
    r[4] &= 0xfc
    r[8] &= 0xfc
    r[12] &= 0xfc
    
    # Convertir a enteros
    r_int = int.from_bytes(r, 'little')
    s_int = int.from_bytes(s, 'little')
    
    # Procesar mensaje en bloques de 16 bytes
    accumulator = 0
    p = (1 << 130) - 5  # 2^130 - 5
    
    for i in range(0, len(message), 16):
        block = message[i:i+16]
        if len(block) < 16:
            block += b'\x01'  # Padding
            block += b'\x00' * (16 - len(block))
        
        n = int.from_bytes(block, 'little')
        accumulator = (accumulator + n) * r_int % p
    
    accumulator = (accumulator + s_int) % (1 << 128)
    
    return accumulator.to_bytes(16, 'little')

Implementación ChaCha20-Poly1305

Python

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import os
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers.aead import ChaCha20Poly1305

def encrypt_chacha20_poly1305(key, nonce, plaintext, associated_data=b""):
    """Cifrar con ChaCha20-Poly1305"""
    cipher = ChaCha20Poly1305(key)
    ciphertext = cipher.encrypt(nonce, plaintext, associated_data)
    return ciphertext

def decrypt_chacha20_poly1305(key, nonce, ciphertext, associated_data=b""):
    """Descifrar con ChaCha20-Poly1305"""
    cipher = ChaCha20Poly1305(key)
    plaintext = cipher.decrypt(nonce, ciphertext, associated_data)
    return plaintext

# Ejemplo de uso
key = os.urandom(32)  # 256 bits
nonce = os.urandom(12)  # 96 bits
plaintext = b"Hello, World!"
associated_data = b"metadata"

# Cifrar
ciphertext = encrypt_chacha20_poly1305(key, nonce, plaintext, associated_data)
print(f"Ciphertext: {ciphertext.hex()}")

# Descifrar
decrypted = decrypt_chacha20_poly1305(key, nonce, ciphertext, associated_data)
print(f"Decrypted: {decrypted}")

OpenSSL

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# Cifrar archivo
openssl enc -chacha20-poly1305 -in plaintext.txt -out ciphertext.bin -K $(hexdump -v -e '/1 "%02x"' < key.bin) -iv $(hexdump -v -e '/1 "%02x"' < nonce.bin)

# Descifrar archivo
openssl enc -chacha20-poly1305 -d -in ciphertext.bin -out decrypted.txt -K $(hexdump -v -e '/1 "%02x"' < key.bin) -iv $(hexdump -v -e '/1 "%02x"' < nonce.bin)

JavaScript (Node.js)

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const crypto = require('crypto');

function encryptChaCha20Poly1305(key, nonce, plaintext, associatedData = Buffer.alloc(0)) {
    const cipher = crypto.createCipher('chacha20-poly1305', key);
    cipher.setAAD(associatedData);
    cipher.setAutoPadding(false);
    
    let ciphertext = cipher.update(plaintext);
    ciphertext = Buffer.concat([ciphertext, cipher.final()]);
    
    const tag = cipher.getAuthTag();
    
    return Buffer.concat([ciphertext, tag]);
}

function decryptChaCha20Poly1305(key, nonce, ciphertext, associatedData = Buffer.alloc(0)) {
    const tag = ciphertext.slice(-16);
    const encrypted = ciphertext.slice(0, -16);
    
    const decipher = crypto.createDecipher('chacha20-poly1305', key);
    decipher.setAAD(associatedData);
    decipher.setAuthTag(tag);
    
    let plaintext = decipher.update(encrypted);
    plaintext = Buffer.concat([plaintext, decipher.final()]);
    
    return plaintext;
}

Aplicaciones

TLS/SSL

  • TLS 1.3: Cipher suite nativo
  • Chrome: Soporte completo
  • Firefox: Soporte completo
  • OpenSSL: Implementación completa

VPN

  • WireGuard: Protocolo VPN moderno
  • OpenVPN: Opción de cifrado
  • IPsec: Suite de cifrado
  • Custom VPN: Implementaciones personalizadas

Comunicaciones

  • Signal: Mensajería segura
  • WhatsApp: Cifrado de mensajes
  • Telegram: Cifrado de mensajes
  • Matrix: Protocolo de mensajería

Almacenamiento

  • Disk Encryption: Cifrado de disco
  • File Encryption: Cifrado de archivos
  • Database Encryption: Cifrado de bases de datos
  • Backup Encryption: Cifrado de respaldos

Ventajas sobre AES-GCM

Rendimiento

  • Software: Más rápido en software
  • No hardware: No requiere aceleración hardware
  • Parallelizable: Mejor paralelización
  • Efficient: Más eficiente

Seguridad

  • Nonce reuse: Más resistente a reutilización
  • Side-channel: Menos vulnerable a ataques de canal lateral
  • Modern: Algoritmo más moderno
  • Proven: Bien probado

Implementación

  • Simple: Implementación más simple
  • Portable: Más portable
  • Fast: Más rápido
  • Secure: Igualmente seguro

Comparación con Otros Algoritmos

ChaCha20-Poly1305 vs AES-GCM

  • Rendimiento: ChaCha20-Poly1305 más rápido en software
  • Hardware: AES-GCM más rápido con aceleración hardware
  • Seguridad: Ambos igualmente seguros
  • Adopción: AES-GCM más adoptado

ChaCha20-Poly1305 vs ChaCha20 + HMAC

  • AEAD: ChaCha20-Poly1305 es AEAD nativo
  • Rendimiento: ChaCha20-Poly1305 más rápido
  • Seguridad: ChaCha20-Poly1305 más seguro
  • Simplicidad: ChaCha20-Poly1305 más simple

Mejores Prácticas

Generación de Claves

  • 256 bits: Usar claves de 256 bits
  • Random: Generar claves aleatorias
  • Secure: Usar generadores seguros
  • Unique: Claves únicas por sesión

Gestión de Nonce

  • 96 bits: Nonce de 96 bits
  • Unique: Nonce único por mensaje
  • Random: Generar nonce aleatorio
  • Counter: Usar contador si es posible

Associated Data

  • Metadata: Incluir metadatos
  • Headers: Incluir cabeceras
  • Context: Incluir contexto
  • Consistent: Ser consistente

Conceptos Relacionados

  • AES - Algoritmo simétrico alternativo
  • TLS/SSL - Protocolo que utiliza ChaCha20-Poly1305
  • Funciones Hash - Algoritmos que complementan ChaCha20-Poly1305
  • Criptoanálisis - Análisis de ChaCha20-Poly1305
  • CISO - Rol que supervisa ChaCha20-Poly1305
  • Ciberseguridad General - Disciplina que incluye ChaCha20-Poly1305
  • Brechas de seguridad - Incidentes que afectan ChaCha20-Poly1305
  • Vectores de ataque - Ataques contra ChaCha20-Poly1305
  • Incident Response - Proceso que incluye ChaCha20-Poly1305
  • SIEM - Sistema que monitorea ChaCha20-Poly1305
  • SOAR - Automatización que gestiona ChaCha20-Poly1305
  • EDR - Herramienta que protege ChaCha20-Poly1305
  • Firewall - Dispositivo que puede inspeccionar ChaCha20-Poly1305
  • VPN - Conexión que utiliza ChaCha20-Poly1305
  • Dashboards - Visualización de métricas ChaCha20-Poly1305
  • Registros - Logs de operaciones ChaCha20-Poly1305

Referencias