一文了解Linux Kernel中密码学算法的设计与应用
引流关键词: AES, ECB,CBC,XTS,CTR,OFB,CFB,RSA,RSA1024,RSA2048,RSA3072,ECC,ECDSA,加密,解密,加解密,国密,SM2,SM3,SM4,openssl,mbedtls
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说明：
在默认情况下，本文讲述的都是ARMV8-aarch64架构，linux kernel 5.14
思考：
1、Linux Kernel中支持哪些密码学算法？分别都是怎么实现的？哪些是C语言实现？哪些是Neon指令实现？哪些是ARM Cryptography Extension硬件实现？ 这些不同的实现方式，他们之间的关系是怎样的？ 并列关系？多选一？多选多？
2、应用程序的密码学算法一般又是怎样实现的？应用程序的密码学算法实现，是否依赖Kernel底层的密码学算法？
3、应用程序是如何调用到Kernel底层的密码学算法？ Kernel底层的其它模块，如何调用密码学算法？
4、如何在Kernel底层增加一种密码学算法的实现？
5、Kernel的其它模块中，有哪些需要使用密码学算法的场景？
本文术语定义：
算法 ： 算法的种类，如对称密码算法、非对称密码算法…
算法实现 ：具体的某一类算法，如aes-cbc、aes-ebc、sm4-cbc、twofish-ecb…
目录
1、密码学基础知识
基本概念，如下请自行学习和理解：
- 对称密码
- 非对称密码
- 数字摘要
- 随机数
2、Kernel密码学算法的软件框架和接口模型
Linux Kernel系统中实现了很多算法，这些算法被统一归纳为：对称密码算法、数字摘要算法、随机数算法、认证加密算法、非对称密码算法等，并在Kernel层提供了统一操作的接口，供kernel其他模块调用。部分算法又被封装到了网络层，开放暴露给Userspace。 其具体的结构/接口模型如下所示：
2.1、Userspace对底层密码算法的访问
Userspace通过netlink接口方式(PF_ALG)调用到底层算法的实现
在Userspace，需指定socket接口PF_ALG，需指定算法名称(如skcipher)、需指定具体调用的"算法实现"(如aes-cbc)，这样命令传输到Kernel层，就能根据这些信息跳转到响应的算法实现层。
注意akcipher算法没有暴露给网络层，也就没有开放给Userspace了，所以在User程序中，是无法调用Kernel层的非对称密码算法的。
如下是一个Userspace程序调用kernel底层算法的示例：
（1）建立一个socket会话的流程：
socket(AF_ALG,...)
bind()
setsockopt
accept
sendmsg
recvmsg
（2）相关代码
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\n",
__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\n",__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\n",
__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\n",
__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\n",
__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\n",
__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)\n",
__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对底层密码算法的访问
Kernel程序对底层算法的调用采用函数直接调用的方式。流程为：kernel程序--->算法中间层--->算法实现层.
算法中间层 就是暴露给kernel其它模块的API函数。
如下是一个kernel中调用底层算法的一个示例（因skcipher为例）:
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\n", 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\n", 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\n", err);
goto out;
}
pr_debug("Encryption was successful\n");
out:
crypto_free_skcipher(tfm);
skcipher_request_free(req);
kfree(data);
return err;
}
2.3、增加一个算法实现
增加一个"算法的实现" 只需要：
- 定义一个该算法的结构体变量并初始化，其实就是实现其中的成员函数
- 将该算法实现注册到系统中。
结构体的定义并初始化：
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,
}
};
成员函数的实现，例如：
static int ecb_encrypt(struct skcipher_request *req)
{
return __ecb_crypt(req, aesbs_ecb_encrypt);
}
将该算法实现注册到系统中：
static int __init aes_init(void)
{
...
err = crypto_register_skciphers(aes_algs, ARRAY_SIZE(aes_algs));
...
}
module_init(aes_init);
小小总结一下， 如果您要增加一个算法实现，那么您就是需要实现定义如下结构体，并调用crypto_register_xxx()注册到kernel系统中：
- skcipher_alg
- akcipher_alg
- ahash_alg
- rng_alg
- aead_alg
3、kernel中实现的算法实现
思考:
- 对称密码底层是怎样实现的？ 纯软？硬件？Neon指令？CE指令？
- 非对称密码底层是怎样实现的？
- Hash、rng、aead 又都是怎样实现的？
实现算法的方式：
- (1)在armv8/armv9的芯片中，有ARM-CE指令可以进行aes/hash/md5计算，
- (2)在armv8/armv9的芯片中，也有ARM-NEON指令也可以进行aes/hash/md5计算
- (3)arm的security IP中，有cryptocell之类的加密芯片
- (4)另外SOC厂商也可能集成自己设计的crypto engine加解密芯片
- (5)除此之外，还有C语言、汇编程序等编程语言实现的纯软实现
毫无疑问，在效率这块肯定是：(3)(4) > (1) > (2) > (5).
另外从"实现算法的方式" 来看，如果是rng、aead、rsa之类的算法，那么就不能用ARM-CE这种方式，只有编程语言实现、Neon指令实现、crypto engine(含arm security IP)这几种方式了。
kernel怎么玩的？：
- 针对 crypto engine(含arm security IP) 这种，先当SOC硬件不支持，跳过此场景。
- 针对rng、aead、rsa，那么kernel有一套纯软的实现 (似乎没有看到arm neon指令的实现)
- 针对aes、hash，有arm-ce的实现、arm neon指令的实现、纯软的实现，三者三选一(通过宏开关，只能选1)
crypto engine的实现：
如果自定义了crypto engine的实现，那么要看你具体的设计，是设计成“取代原有算法实现”，还是设计成“新增算法实现”。如果是前者，那么对于aes/hash，则变成了四选一的了(crypto engine实现、arm-ce的实现、arm neon指令的实现、纯软)。如果是后者，这和原有实现不冲突。
有关aes/hash底层实现三选一的开关：
（1） 开启下面两个宏，使用ARM Neon指令的实现
CONFIG_CRYPTO_AES_ARM64_CE_BLK
CONFIG_CRYPTO_AES_ARM64_NEON_BLK
（2） 在(1) 的基础之上，再开启如下宏，使用ARM CE指令的实现
USE_V8_CRYPTO_EXTENSIONS
（3） 以上三个宏都不开启的情况下，使用默认的纯软实现
4、crypto engine的实现
（以ARM Security IP的cryptocell 712为例）
在Linux Kernel中开启CONFIG_CRYPTO_DEV_CCREE宏控即可起用该实现, 代码路径如下：
以为aes-cbc为例，其实现的名字 和 Kernel中默认是算法实现的名字是一致的，即使这种实现方式是取代原有算法实现
{
.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、代码导读
在网络层、算法中间层、算法实现层有着丰富的结构体类型？
那么怎么去阅读代码？ 怎弄清各个层面之间的逻辑呢？
事实上我们只要理清这些结构体之间的关系，将其抽象成模型，就会变得更加容易理解了。
如下是以Userspace调用底层的对称密码函数为例总结的一张数据结构图：
sock通信进入网络层后(algif_skcipher.c)，构建skcipher_request结构体，通过该结构体，就能寻址到底层的算法实现，继而完成算法实现的调用。这些总结一下就是：
- skcipher_request //网络层构建的结构体
- crypto_skcipher // kernel中间层构建的结构体，如果是kernel层调用底层算法，那么就从构建crypto_cipher结构体开始。
- skcipher_alg //算法实现层的结构体，描述着具体的算法实现，有实现厂商自己添加。
上述复杂的结构体流程，进一步抽象，就变成如下这个样子：
既然如此，那么我们还可以举一反三一下：
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