論文の概要: Stringology-Based Cryptanalysis for EChaCha20 Stream Cipher

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2604.08862v1
• Date: Fri, 10 Apr 2026 01:49:39 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-04-13 17:57:53.630326
• Title: Stringology-Based Cryptanalysis for EChaCha20 Stream Cipher
• Title（参考訳）: EChaCha20ストリーム暗号の弦学に基づくクリプトアナリシス
• Abstract要約: 本稿では6$times$6の状態行列と拡張されたtextttQR-Fを特徴とする、ChaCha20の変種である textttECha20 を解析する。 textttECha20は、16ビットと32ビットで強い擬似ランダム性を維持することができ、8ビット領域で小さな不規則性が見られる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Stringology-Based Cryptanalysis (SBC) offers a suitable and a structurally aligned approach for uncovering structural patterns in stream ciphers that traditional statistical tests may often fail to detect. Despite \texttt{EChaCha20}'s design enhancements, no systematic investigation has been performed to determine whether its expanded 6$\times$6 state matrix and modified Quarter-Round Function (\texttt{QR-F}) introduce subtle keystream patterns, rotational biases, or partial collisions that could serve as statistical distinguishers. As such, addressing this gap is critical to ensure that the cipher's modifications do not unintentionally reduce its security margin. Therefore, this paper leverages Knuth-Morris-Pratt (\texttt{KMP}) and Boyer-Moore (\texttt{BM}) algorithms to analyze \texttt{EChaCha20}, which is a variant of ChaCha20 that features an expanded 6$\times$6 state matrix and an enhanced \texttt{QR-F}. The author has developed and optimized adaptations of the \texttt{KMP} and \texttt{BM} algorithms for 32-bit word level pattern analysis and employed them to investigate $m$-bit pattern frequency distributions to assess the \texttt{EChaCha20}'s resistance of rotational-differential attacks. Our experimental results on large-scale one million keystream datasets have confirmed that \texttt{EChaCha20} is able to maintain strong pseudorandomness at 16-bit and 32-bit levels with minor irregularities observed in the 8-bit domain. In addition to these, the differential tests have indicated a rapid diffusion, exhibiting an avalanche effect after two \texttt{QR-F} rounds and no statistically significant rotational collisions were observed within the evaluated bounds, consistent with expected ARX diffusion behavior beyond 3 rounds. This work puts forward SBC as a complementary tool for ARX cipher evaluation and provide new thoughts on the security properties of \texttt{EChaCha20}.
• Abstract（参考訳）: 弦学に基づくクリプトアナリシス(SBC)は、従来の統計的検査では検出できないようなストリーム暗号の構造パターンを明らかにするのに適した、構造的に整合したアプローチを提供する。 \texttt{EChaCha20} の設計強化にもかかわらず、拡張された 6$\times$6 状態行列と修正されたクォーター・ローンド関数 (\texttt{QR-F}) が、微妙なキーストリームパターン、回転バイアス、あるいは統計的区別器として機能する部分衝突を導入するかどうかを判断する体系的な調査は行われていない。 したがって、このギャップに対処することは、暗号の修正が意図しないセキュリティマージンを減少させないようにするために重要である。 そこで本稿では、Knuth-Morris-Pratt (\texttt{KMP}) と Boyer-Moore (\texttt{BM}) のアルゴリズムを用いて、ChaCha20 の変種である \texttt{EChaCha20} を分析し、拡張された 6$\times$6 状態行列と拡張された \texttt{QR-F} を特徴とする。 著者らは,32ビットワードレベルパターン解析のための \texttt{KMP} と \texttt{BM} アルゴリズムの適応を開発し,それを用いて$m$-bitパターンの周波数分布を調査し,回転微分攻撃に対する \texttt{EChaCha20} の抵抗性を評価する。 大規模100万のキーストリームデータセットに対する実験結果から, <texttt{EChaCha20} は8ビット領域で観測される小さな不規則な16ビットおよび32ビットレベルで強い擬似ランダム性を維持することができることを確認した。 これらに加えて, 差動実験では, 2回の<texttt{QR-F} ラウンドの後に雪崩効果を示し, 3回のラウンドを超えるARX拡散挙動と一致して, 評価範囲内で統計的に有意な回転衝突は観測されなかった。 この研究は、ARX暗号評価の補完ツールとしてSBCを推し進め、 \texttt{EChaCha20} のセキュリティ特性に関する新しい考え方を提供する。

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