一文了解Linux Kernel中密码学算法的设计与应用

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：

2.1Userspace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;
}

2.2Kernelspace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,
}

5.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(algifskcipher.c)，构建skcipherrequest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
• cryptoskcipher // 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cryptocipher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：