src/librand/chacha.rs

   1 // Copyright 2014 The Rust Project Developers. See the COPYRIGHT
   2 // file at the top-level directory of this distribution and at
   3 // http://rust-lang.org/COPYRIGHT.
   4 //
   5 // Licensed under the Apache License, Version 2.0 <LICENSE-APACHE or
   6 // http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0> or the MIT license
   7 // <LICENSE-MIT or http://opensource.org/licenses/MIT>, at your
   8 // option. This file may not be copied, modified, or distributed
   9 // except according to those terms.
  10
  11 //! The ChaCha random number generator.
  12
  13 use {Rng, SeedableRng, Rand};
  14
  15 const KEY_WORDS    : usize =  8; // 8 words for the 256-bit key
  16 const STATE_WORDS  : usize = 16;
  17 const CHACHA_ROUNDS: usize = 20; // Cryptographically secure from 8 upwards as of this writing
  18
  19 /// A random number generator that uses the ChaCha20 algorithm [1].
  20 ///
  21 /// The ChaCha algorithm is widely accepted as suitable for
  22 /// cryptographic purposes, but this implementation has not been
  23 /// verified as such. Prefer a generator like `OsRng` that defers to
  24 /// the operating system for cases that need high security.
  25 ///
  26 /// [1]: D. J. Bernstein, [*ChaCha, a variant of
  27 /// Salsa20*](http://cr.yp.to/chacha.html)
  28 #[derive(Copy, Clone)]
  29 pub struct ChaChaRng {
  30     buffer:  [u32; STATE_WORDS], // Internal buffer of output
  31     state:   [u32; STATE_WORDS], // Initial state
  32     index:   usize,                 // Index into state
  33 }
  34
  35 static EMPTY: ChaChaRng = ChaChaRng {
  36     buffer:  [0; STATE_WORDS],
  37     state:   [0; STATE_WORDS],
  38     index:   STATE_WORDS
  39 };
  40
  41
  42 macro_rules! quarter_round{
  43     ($a: expr, $b: expr, $c: expr, $d: expr) => {{
  44         $a = $a.wrapping_add($b); $d = $d ^ $a; $d = $d.rotate_left(16);
  45         $c = $c.wrapping_add($d); $b = $b ^ $c; $b = $b.rotate_left(12);
  46         $a = $a.wrapping_add($b); $d = $d ^ $a; $d = $d.rotate_left( 8);
  47         $c = $c.wrapping_add($d); $b = $b ^ $c; $b = $b.rotate_left( 7);
  48     }}
  49 }
  50
  51 macro_rules! double_round{
  52     ($x: expr) => {{
  53         // Column round
  54         quarter_round!($x[ 0], $x[ 4], $x[ 8], $x[12]);
  55         quarter_round!($x[ 1], $x[ 5], $x[ 9], $x[13]);
  56         quarter_round!($x[ 2], $x[ 6], $x[10], $x[14]);
  57         quarter_round!($x[ 3], $x[ 7], $x[11], $x[15]);
  58         // Diagonal round
  59         quarter_round!($x[ 0], $x[ 5], $x[10], $x[15]);
  60         quarter_round!($x[ 1], $x[ 6], $x[11], $x[12]);
  61         quarter_round!($x[ 2], $x[ 7], $x[ 8], $x[13]);
  62         quarter_round!($x[ 3], $x[ 4], $x[ 9], $x[14]);
  63     }}
  64 }
  65
  66 #[inline]
  67 fn core(output: &mut [u32; STATE_WORDS], input: &[u32; STATE_WORDS]) {
  68     *output = *input;
  69
  70     for _ in 0..CHACHA_ROUNDS / 2 {
  71         double_round!(output);
  72     }
  73
  74     for i in 0..STATE_WORDS {
  75         output[i] = output[i].wrapping_add(input[i]);
  76     }
  77 }
  78
  79 impl ChaChaRng {
  80
  81     /// Create an ChaCha random number generator using the default
  82     /// fixed key of 8 zero words.
  83     pub fn new_unseeded() -> ChaChaRng {
  84         let mut rng = EMPTY;
  85         rng.init(&[0; KEY_WORDS]);
  86         rng
  87     }
  88
  89     /// Sets the internal 128-bit ChaCha counter to
  90     /// a user-provided value. This permits jumping
  91     /// arbitrarily ahead (or backwards) in the pseudorandom stream.
  92     ///
  93     /// Since the nonce words are used to extend the counter to 128 bits,
  94     /// users wishing to obtain the conventional ChaCha pseudorandom stream
  95     /// associated with a particular nonce can call this function with
  96     /// arguments `0, desired_nonce`.
  97     pub fn set_counter(&mut self, counter_low: u64, counter_high: u64) {
  98         self.state[12] = (counter_low >>  0) as u32;
  99         self.state[13] = (counter_low >> 32) as u32;
 100         self.state[14] = (counter_high >>  0) as u32;
 101         self.state[15] = (counter_high >> 32) as u32;
 102         self.index = STATE_WORDS; // force recomputation
 103     }
 104
 105     /// Initializes `self.state` with the appropriate key and constants
 106     ///
 107     /// We deviate slightly from the ChaCha specification regarding
 108     /// the nonce, which is used to extend the counter to 128 bits.
 109     /// This is provably as strong as the original cipher, though,
 110     /// since any distinguishing attack on our variant also works
 111     /// against ChaCha with a chosen-nonce. See the XSalsa20 [1]
 112     /// security proof for a more involved example of this.
 113     ///
 114     /// The modified word layout is:
 115     /// ```text
 116     /// constant constant constant constant
 117     /// key      key      key      key
 118     /// key      key      key      key
 119     /// counter  counter  counter  counter
 120     /// ```
 121     /// [1]: Daniel J. Bernstein. [*Extending the Salsa20
 122     /// nonce.*](http://cr.yp.to/papers.html#xsalsa)
 123     fn init(&mut self, key: &[u32; KEY_WORDS]) {
 124         self.state[0] = 0x61707865;
 125         self.state[1] = 0x3320646E;
 126         self.state[2] = 0x79622D32;
 127         self.state[3] = 0x6B206574;
 128
 129         for i in 0..KEY_WORDS {
 130             self.state[4+i] = key[i];
 131         }
 132
 133         self.state[12] = 0;
 134         self.state[13] = 0;
 135         self.state[14] = 0;
 136         self.state[15] = 0;
 137
 138         self.index = STATE_WORDS;
 139     }
 140
 141     /// Refill the internal output buffer (`self.buffer`)
 142     fn update(&mut self) {
 143         core(&mut self.buffer, &self.state);
 144         self.index = 0;
 145         // update 128-bit counter
 146         self.state[12] += 1;
 147         if self.state[12] != 0 { return };
 148         self.state[13] += 1;
 149         if self.state[13] != 0 { return };
 150         self.state[14] += 1;
 151         if self.state[14] != 0 { return };
 152         self.state[15] += 1;
 153     }
 154 }
 155
 156 impl Rng for ChaChaRng {
 157     #[inline]
 158     fn next_u32(&mut self) -> u32 {
 159         if self.index == STATE_WORDS {
 160             self.update();
 161         }
 162
 163         let value = self.buffer[self.index % STATE_WORDS];
 164         self.index += 1;
 165         value
 166     }
 167 }
 168
 169 impl<'a> SeedableRng<&'a [u32]> for ChaChaRng {
 170
 171     fn reseed(&mut self, seed: &'a [u32]) {
 172         // reset state
 173         self.init(&[0; KEY_WORDS]);
 174         // set key in place
 175         let key = &mut self.state[4 .. 4+KEY_WORDS];
 176         for (k, s) in key.iter_mut().zip(seed) {
 177             *k = *s;
 178         }
 179     }
 180
 181     /// Create a ChaCha generator from a seed,
 182     /// obtained from a variable-length u32 array.
 183     /// Only up to 8 words are used; if less than 8
 184     /// words are used, the remaining are set to zero.
 185     fn from_seed(seed: &'a [u32]) -> ChaChaRng {
 186         let mut rng = EMPTY;
 187         rng.reseed(seed);
 188         rng
 189     }
 190 }
 191
 192 impl Rand for ChaChaRng {
 193     fn rand<R: Rng>(other: &mut R) -> ChaChaRng {
 194         let mut key : [u32; KEY_WORDS] = [0; KEY_WORDS];
 195         for word in &mut key {
 196             *word = other.gen();
 197         }
 198         SeedableRng::from_seed(&key[..])
 199     }
 200 }
 201
 202
 203 #[cfg(test)]
 204 mod tests {
 205     use std::prelude::v1::*;
 206
 207     use core::iter::order;
 208     use {Rng, SeedableRng};
 209     use super::ChaChaRng;
 210
 211     #[test]
 212     fn test_rng_rand_seeded() {
 213         let s = ::test::rng().gen_iter::<u32>().take(8).collect::<Vec<u32>>();
 214         let mut ra: ChaChaRng = SeedableRng::from_seed(&*s);
 215         let mut rb: ChaChaRng = SeedableRng::from_seed(&*s);
 216         assert!(order::equals(ra.gen_ascii_chars().take(100),
 217                               rb.gen_ascii_chars().take(100)));
 218     }
 219
 220     #[test]
 221     fn test_rng_seeded() {
 222         let seed : &[_] = &[0,1,2,3,4,5,6,7];
 223         let mut ra: ChaChaRng = SeedableRng::from_seed(seed);
 224         let mut rb: ChaChaRng = SeedableRng::from_seed(seed);
 225         assert!(order::equals(ra.gen_ascii_chars().take(100),
 226                               rb.gen_ascii_chars().take(100)));
 227     }
 228
 229     #[test]
 230     fn test_rng_reseed() {
 231         let s = ::test::rng().gen_iter::<u32>().take(8).collect::<Vec<u32>>();
 232         let mut r: ChaChaRng = SeedableRng::from_seed(&*s);
 233         let string1: String = r.gen_ascii_chars().take(100).collect();
 234
 235         r.reseed(&s);
 236
 237         let string2: String = r.gen_ascii_chars().take(100).collect();
 238         assert_eq!(string1, string2);
 239     }
 240
 241     #[test]
 242     fn test_rng_true_values() {
 243         // Test vectors 1 and 2 from
 244         // http://tools.ietf.org/html/draft-nir-cfrg-chacha20-poly1305-04
 245         let seed : &[_] = &[0; 8];
 246         let mut ra: ChaChaRng = SeedableRng::from_seed(seed);
 247
 248         let v = (0..16).map(|_| ra.next_u32()).collect::<Vec<_>>();
 249         assert_eq!(v,
 250                    vec!(0xade0b876, 0x903df1a0, 0xe56a5d40, 0x28bd8653,
 251                         0xb819d2bd, 0x1aed8da0, 0xccef36a8, 0xc70d778b,
 252                         0x7c5941da, 0x8d485751, 0x3fe02477, 0x374ad8b8,
 253                         0xf4b8436a, 0x1ca11815, 0x69b687c3, 0x8665eeb2));
 254
 255         let v = (0..16).map(|_| ra.next_u32()).collect::<Vec<_>>();
 256         assert_eq!(v,
 257                    vec!(0xbee7079f, 0x7a385155, 0x7c97ba98, 0x0d082d73,
 258                         0xa0290fcb, 0x6965e348, 0x3e53c612, 0xed7aee32,
 259                         0x7621b729, 0x434ee69c, 0xb03371d5, 0xd539d874,
 260                         0x281fed31, 0x45fb0a51, 0x1f0ae1ac, 0x6f4d794b));
 261
 262
 263         let seed : &[_] = &[0,1,2,3,4,5,6,7];
 264         let mut ra: ChaChaRng = SeedableRng::from_seed(seed);
 265
 266         // Store the 17*i-th 32-bit word,
 267         // i.e., the i-th word of the i-th 16-word block
 268         let mut v : Vec<u32> = Vec::new();
 269         for _ in 0..16 {
 270             v.push(ra.next_u32());
 271             for _ in 0..16 {
 272                 ra.next_u32();
 273             }
 274         }
 275
 276         assert_eq!(v,
 277                    vec!(0xf225c81a, 0x6ab1be57, 0x04d42951, 0x70858036,
 278                         0x49884684, 0x64efec72, 0x4be2d186, 0x3615b384,
 279                         0x11cfa18e, 0xd3c50049, 0x75c775f6, 0x434c6530,
 280                         0x2c5bad8f, 0x898881dc, 0x5f1c86d9, 0xc1f8e7f4));
 281     }
 282
 283     #[test]
 284     fn test_rng_clone() {
 285         let seed : &[_] = &[0; 8];
 286         let mut rng: ChaChaRng = SeedableRng::from_seed(seed);
 287         let mut clone = rng.clone();
 288         for _ in 0..16 {
 289             assert_eq!(rng.next_u64(), clone.next_u64());
 290         }
 291     }
 292 }