一文了解Linux Kernel中密码学算法的设计与应用

2022-06-06 17:14:29

文 | baron

出品 | Linux阅码场（ID：gh_28254f84d698）

作者简介:

baron (csdn:代码改变世界ctw)，九年手机安全/SOC底层安全开发经验。擅长trustzone/tee安全产品的设计和开发。

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...

1、密码学基础知识

2、Kernel密码学算法的软件框架和接口模型

2.1、Userspace对底层密码算法的访问

2.2、Kernelspace对底层密码算法的访问

2.3、增加一个算法实现

3、kernel中实现的算法实现

4、crypto engine的实现

5、代码导读

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()setsockoptacceptsendmsgrecvmsg

（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, );  if (s < ) {    LogErr("%s: Failed to open AF_ALG socket: %s\n",         __func__, strerror(errno));    return -1;  }
  os_memset(&sa, , 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)) < ) {    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 < )    goto fail;
  if (setsockopt(skcipher->s, SOL_ALG, ALG_SET_KEY, key, key_len) < ) {    LogErr("%s: setsockopt(ALG_SET_KEY) failed: %s\n",         __func__, strerror(errno));    goto fail;  }
  skcipher->t = accept(skcipher->s, NULL, NULL);  if (skcipher->t < ) {    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[].iov_base = (void *) data;  io[].iov_len = data_len;  os_memset(&msg, , sizeof(msg));  os_memset(buf, , 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 = ;  }
  ret = sendmsg(skcipher->t, &msg, );  if (ret < ) {    LogErr("%s: sendmsg failed: %s\n",         __func__, strerror(errno));    linux_af_alg_skcipher_deinit(skcipher);    return -1;  }
  ret = recvmsg(skcipher->t, &msg, );  if (ret < ) {    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 ;}

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)", , );        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,}