思考：

1、Linux Kernel中支持哪些密碼學算法？分別都是怎么實現的？哪些是C語言實現？哪些是Neon指令實現？哪些是ARM Cryptography Extension硬件實現？這些不同的實現方式，他們之間的關系是怎樣的？并列關系？多選一？多選多？

2、應用程序的密碼學算法一般又是怎樣實現的？應用程序的密碼學算法實現，是否依賴Kernel底層的密碼學算法？

3、應用程序是如何調用到Kernel底層的密碼學算法？Kernel底層的其它模塊，如何調用密碼學算法？

4、如何在Kernel底層增加一種密碼學算法的實現？

5、Kernel的其它模塊中，有哪些需要使用密碼學算法的場景？
本文術語定義：算法 ：算法的種類，如對稱密碼算法、非對稱密碼算法...算法實現 ：具體的某一類算法，如aes-cbc、aes-ebc、sm4-cbc、twofish-ecb...

目錄

1、密碼學基礎知識

2、Kernel密碼學算法的軟件框架和接口模型

3、kernel中實現的算法實現

4、crypto engine的實現

5、代碼導讀

1、密碼學基礎知識

基本概念，如下請自行學習和理解：

• 對稱密碼

• 非對稱密碼

• 數字摘要

• 隨機數

2、Kernel密碼學算法的軟件框架和接口模型

Linux Kernel系統中實現了很多算法，這些算法被統一歸納為：對稱密碼算法、數字摘要算法、隨機數算法、認證加密算法、非對稱密碼算法等，并在Kernel層提供了統一操作的接口，供kernel其他模塊調用。部分算法又被封裝到了網絡層，開放暴露給Userspace。其具體的結構/接口模型如下所示：

2.1、Userspace對底層密碼算法的訪問

Userspace通過netlink接口方式( PF_ALG)調用到底層算法的實現

在Userspace，需指定socket接口 PF_ALG，需指定算法名稱(如skcipher)、需指定具體調用的"算法實現"(如aes-cbc)，這樣命令傳輸到Kernel層，就能根據這些信息跳轉到響應的算法實現層。注意akcipher算法沒有暴露給網絡層，也就沒有開放給Userspace了，所以在User程序中，是無法調用Kernel層的非對稱密碼算法的。

如下是一個Userspace程序調用kernel底層算法的示例：

（1）建立一個socket會話的流程：

socket(AF_ALG,...)bind()setsockoptacceptsendmsgrecvmsg

（2）相關代碼

static int linux_af_alg_socket(const char *type, const char *name){  struct sockaddr_alg sa;  int s;
  s = socket(AF_ALG, SOCK_SEQPACKET, 0);  if (s < 0) {    LogErr("%s: Failed to open AF_ALG socket: %s
",         __func__, strerror(errno));    return -1;  }
  os_memset(&sa, 0, sizeof(sa));  sa.salg_family = AF_ALG;  os_strlcpy((char *) sa.salg_type, type, sizeof(sa.salg_type));  os_strlcpy((char *) sa.salg_name, name, sizeof(sa.salg_name));  if (bind(s, (struct sockaddr *) &sa, sizeof(sa)) < 0) {    LogErr("%s: Failed to bind AF_ALG socket(%s,%s): %s
",__func__, (char *) sa.salg_type, (char *) sa.salg_name, strerror(errno));    close(s);    return -1;  }
  return s;}
static struct linux_af_alg_skcipher *linux_af_alg_skcipher(const char *alg, const u8 *key, size_t key_len){  struct linux_af_alg_skcipher *skcipher;
  skcipher = os_zalloc(sizeof(*skcipher));  if (!skcipher)    goto fail;  skcipher->t = -1;
  skcipher->s = linux_af_alg_socket(TYPE_NAME, alg);  if (skcipher->s < 0)    goto fail;
  if (setsockopt(skcipher->s, SOL_ALG, ALG_SET_KEY, key, key_len) < 0) {    LogErr("%s: setsockopt(ALG_SET_KEY) failed: %s
",         __func__, strerror(errno));    goto fail;  }
  skcipher->t = accept(skcipher->s, NULL, NULL);  if (skcipher->t < 0) {    LogErr("%s: accept on AF_ALG socket failed: %s
",         __func__, strerror(errno));    goto fail;  }
  return skcipher;fail:  linux_af_alg_skcipher_deinit(skcipher);  return NULL;}
static int aes_128_cbc_oper(char *alg_name, const u8 *key,size_t key_len, int enc, const u8 *iv, u8 *data, size_t data_len){  struct linux_af_alg_skcipher *skcipher;  char buf[100];  struct iovec io[1];  struct msghdr msg;  struct cmsghdr *hdr;  ssize_t ret;  u32 *op;  struct af_alg_iv *alg_iv;  size_t iv_len = AES_BLOCK_SIZE;
  skcipher = linux_af_alg_skcipher(alg_name, key, key_len);//alg_name = "__cbc-aes-asr-ce"  if (!skcipher)    return -1;
  io[0].iov_base = (void *) data;  io[0].iov_len = data_len;  os_memset(&msg, 0, sizeof(msg));  os_memset(buf, 0, sizeof(buf));  msg.msg_control = buf;  msg.msg_controllen = CMSG_SPACE(sizeof(u32)) +    CMSG_SPACE(sizeof(*alg_iv) + iv_len);  msg.msg_iov = io;  msg.msg_iovlen = 1;
  hdr = CMSG_FIRSTHDR(&msg);  hdr->cmsg_level = SOL_ALG;  hdr->cmsg_type = ALG_SET_OP;  hdr->cmsg_len = CMSG_LEN(sizeof(u32));  op = (u32 *) CMSG_DATA(hdr);  *op = enc ? ALG_OP_ENCRYPT : ALG_OP_DECRYPT;
  hdr = CMSG_NXTHDR(&msg, hdr);  hdr->cmsg_level = SOL_ALG;  hdr->cmsg_type = ALG_SET_IV;  hdr->cmsg_len = CMSG_SPACE(sizeof(*alg_iv) + iv_len);  alg_iv = (struct af_alg_iv *) CMSG_DATA(hdr);  if(NULL != iv){    alg_iv->ivlen = iv_len;    os_memcpy(alg_iv->iv, iv, iv_len);  }else  {    alg_iv->ivlen = 0;  }
  ret = sendmsg(skcipher->t, &msg, 0);  if (ret < 0) {    LogErr("%s: sendmsg failed: %s
",         __func__, strerror(errno));    linux_af_alg_skcipher_deinit(skcipher);    return -1;  }
  ret = recvmsg(skcipher->t, &msg, 0);  if (ret < 0) {    LogErr("%s: recvmsg failed: %s
",         __func__, strerror(errno));    linux_af_alg_skcipher_deinit(skcipher);    return -1;  }  if ((size_t) ret < data_len) {    LogErr(         "%s: recvmsg not return full data (%d/%d)
",         __func__, (int) ret, (int) data_len);    linux_af_alg_skcipher_deinit(skcipher);    return -1;  }
  //s_to_binary(data,data_len);  linux_af_alg_skcipher_deinit(skcipher);  return 0;}

2.2、Kernelspace對底層密碼算法的訪問

Kernel程序對底層算法的調用采用函數直接調用的方式。流程為：kernel程序--->算法中間層--->算法實現層. 算法中間層 就是暴露給kernel其它模塊的API函數。

如下是一個kernel中調用底層算法的一個示例（因skcipher為例）:

static int test_skcipher(void){        struct crypto_skcipher *tfm = NULL;        struct skcipher_request *req = NULL;        u8 *data = NULL;        const size_t datasize = 512; /* data size in bytes */        struct scatterlist sg;        DECLARE_CRYPTO_WAIT(wait);        u8 iv[16];  /* AES-256-XTS takes a 16-byte IV */        u8 key[64]; /* AES-256-XTS takes a 64-byte key */        int err;
        /*         * Allocate a tfm (a transformation object) and set the key.         *         * In real-world use, a tfm and key are typically used for many         * encryption/decryption operations.  But in this example, we'll just do a         * single encryption operation with it (which is not very efficient).         */
        tfm = crypto_alloc_skcipher("xts(aes)", 0, 0);        if (IS_ERR(tfm)) {                pr_err("Error allocating xts(aes) handle: %ld
", PTR_ERR(tfm));                return PTR_ERR(tfm);        }
        get_random_bytes(key, sizeof(key));        err = crypto_skcipher_setkey(tfm, key, sizeof(key));        if (err) {                pr_err("Error setting key: %d
", err);                goto out;        }
        /* Allocate a request object */        req = skcipher_request_alloc(tfm, GFP_KERNEL);        if (!req) {                err = -ENOMEM;                goto out;        }
        /* Prepare the input data */        data = kmalloc(datasize, GFP_KERNEL);        if (!data) {                err = -ENOMEM;                goto out;        }        get_random_bytes(data, datasize);
        /* Initialize the IV */        get_random_bytes(iv, sizeof(iv));
        /*         * Encrypt the data in-place.         *         * For simplicity, in this example we wait for the request to complete         * before proceeding, even if the underlying implementation is asynchronous.         *         * To decrypt instead of encrypt, just change crypto_skcipher_encrypt() to         * crypto_skcipher_decrypt().         */        sg_init_one(&sg, data, datasize);        skcipher_request_set_callback(req, CRYPTO_TFM_REQ_MAY_BACKLOG |                                           CRYPTO_TFM_REQ_MAY_SLEEP,                                      crypto_req_done, &wait);        skcipher_request_set_crypt(req, &sg, &sg, datasize, iv);        err = crypto_wait_req(crypto_skcipher_encrypt(req), &wait);        if (err) {                pr_err("Error encrypting data: %d
", err);                goto out;        }
        pr_debug("Encryption was successful
");out:        crypto_free_skcipher(tfm);        skcipher_request_free(req);        kfree(data);        return err;}

2.3、增加一個算法實現

增加一個"算法的實現" 只需要：

• 定義一個該算法的結構體變量并初始化，其實就是實現其中的成員函數

• 將該算法實現注冊到系統中。

結構體的定義并初始化：

static struct skcipher_alg aes_algs[] = {   {    .base.cra_name    = "__ecb(aes)",    .base.cra_driver_name  = "__ecb-aes-neonbs",    .base.cra_priority  = 250,    .base.cra_blocksize  = AES_BLOCK_SIZE,    .base.cra_ctxsize  = sizeof(struct aesbs_ctx),    .base.cra_module  = THIS_MODULE,    .base.cra_flags    = CRYPTO_ALG_INTERNAL,
    .min_keysize    = AES_MIN_KEY_SIZE,    .max_keysize    = AES_MAX_KEY_SIZE,    .walksize    = 8 * AES_BLOCK_SIZE,    .setkey      = aesbs_setkey,    .encrypt    = ecb_encrypt,    .decrypt    = ecb_decrypt,  }, 
  {    .base.cra_name    = "__cbc(aes)",    .base.cra_driver_name  = "__cbc-aes-neonbs",    .base.cra_priority  = 250,    .base.cra_blocksize  = AES_BLOCK_SIZE,    .base.cra_ctxsize  = sizeof(struct aesbs_cbc_ctx),    .base.cra_module  = THIS_MODULE,    .base.cra_flags    = CRYPTO_ALG_INTERNAL,
    .min_keysize    = AES_MIN_KEY_SIZE,    .max_keysize    = AES_MAX_KEY_SIZE,    .walksize    = 8 * AES_BLOCK_SIZE,    .ivsize      = AES_BLOCK_SIZE,    .setkey      = aesbs_cbc_setkey,    .encrypt    = cbc_encrypt,    .decrypt    = cbc_decrypt,  }};

成員函數的實現，例如：

static int ecb_encrypt(struct skcipher_request *req){  return __ecb_crypt(req, aesbs_ecb_encrypt);}

將該算法實現注冊到系統中：

static int __init aes_init(void){...  err = crypto_register_skciphers(aes_algs, ARRAY_SIZE(aes_algs));...}module_init(aes_init);

• skcipher_alg
• akcipher_alg
• ahash_alg
• rng_alg
• aead_alg

3、kernel中實現的算法實現

思考:

• 對稱密碼底層是怎樣實現的？純軟？硬件？Neon指令？CE指令？

• 非對稱密碼底層是怎樣實現的？

• Hash、rng、aead 又都是怎樣實現的？

實現算法的方式：

• (1)在armv8/armv9的芯片中，有ARM-CE指令可以進行aes/hash/md5計算，

• (2)在armv8/armv9的芯片中，也有ARM-NEON指令也可以進行aes/hash/md5計算

• (3)arm的security IP中，有cryptocell之類的加密芯片

• (4)另外SOC廠商也可能集成自己設計的crypto engine加解密芯片

• (5)除此之外，還有C語言、匯編程序等編程語言實現的純軟實現

毫無疑問，在效率這塊肯定是：(3)(4) > (1) > (2) > (5).另外從"實現算法的方式" 來看，如果是rng、aead、rsa之類的算法，那么就不能用ARM-CE這種方式，只有編程語言實現、Neon指令實現、crypto engine(含arm security IP)這幾種方式了。

kernel怎么玩的？：

• 針對 crypto engine(含arm security IP) 這種，先當SOC硬件不支持，跳過此場景。

• 針對rng、aead、rsa，那么kernel有一套純軟的實現 (似乎沒有看到arm neon指令的實現)

• 針對aes、hash，有arm-ce的實現、arm neon指令的實現、純軟的實現，三者三選一(通過宏開關，只能選1)

crypto engine的實現：如果自定義了crypto engine的實現，那么要看你具體的設計，是設計成“取代原有算法實現”，還是設計成“新增算法實現”。如果是前者，那么對于aes/hash，則變成了四選一的了(crypto engine實現、arm-ce的實現、arm neon指令的實現、純軟)。如果是后者，這和原有實現不沖突。

有關aes/hash底層實現三選一的開關：

（1） 開啟下面兩個宏，使用ARM Neon指令的實現 CONFIG_CRYPTO_AES_ARM64_CE_BLK CONFIG_CRYPTO_AES_ARM64_NEON_BLK（2） 在(1) 的基礎之上，再開啟如下宏，使用ARM CE指令的實現 USE_V8_CRYPTO_EXTENSIONS（3） 以上三個宏都不開啟的情況下，使用默認的純軟實現

4、crypto engine的實現

（以ARM Security IP的cryptocell 712為例）

在Linux Kernel中開啟 CONFIG_CRYPTO_DEV_CCREE宏控即可起用該實現, 代碼路徑如下：

以為aes-cbc為例，其實現的名字 和 Kernel中默認是算法實現的名字是一致的，即使這種實現方式是取代原有算法實現

{  .name = "cbc(aes)",  .driver_name = "cbc-aes-ccree",  .blocksize = AES_BLOCK_SIZE,  .template_skcipher = {    .setkey = cc_cipher_setkey,    .encrypt = cc_cipher_encrypt,    .decrypt = cc_cipher_decrypt,    .min_keysize = AES_MIN_KEY_SIZE,    .max_keysize = AES_MAX_KEY_SIZE,    .ivsize = AES_BLOCK_SIZE,  },  .cipher_mode = DRV_CIPHER_CBC,  .flow_mode = S_DIN_to_AES,  .min_hw_rev = CC_HW_REV_630,  .std_body = CC_STD_NIST,}

4、代碼導讀

在網絡層、算法中間層、算法實現層有著豐富的結構體類型？那么怎么去閱讀代碼？怎弄清各個層面之間的邏輯呢？事實上我們只要理清這些結構體之間的關系，將其抽象成模型，就會變得更加容易理解了。

如下是以Userspace調用底層的對稱密碼函數為例總結的一張數據結構圖：

sock通信進入網絡層后(algifskcipher.c)，構建skcipherrequest結構體，通過該結構體，就能尋址到底層的算法實現，繼而完成算法實現的調用。這些總結一下就是：

• skcipher_request //網絡層構建的結構體

• cryptoskcipher // kernel中間層構建的結構體，如果是kernel層調用底層算法，那么就從構建cryptocipher結構體開始。

• skcipher_alg //算法實現層的結構體，描述著具體的算法實現，有實現廠商自己添加。

上述復雜的結構體流程，進一步抽象，就變成如下這個樣子：

既然如此，那么我們還可以舉一反三一下：

審核編輯 ：李倩