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一文了解Linux Kernel中密码学算法的设计与应用

脚本之家 2022-10-24

The following article is from Linux阅码场 Author baron

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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...


目录

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, 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(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:

<END>

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