一文看懂碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列產(chǎn)品應(yīng)用（二）：國(guó)密算法●中篇

歡迎再次來(lái)到“碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列產(chǎn)品應(yīng)用介紹”連載專題。通過(guò)上期對(duì)CFW32C7UL系列支持的國(guó)密算法種類的介紹，相信您對(duì)CFW327UL系列的國(guó)密硬件模塊有了初步了解，那么這些國(guó)密模塊如何使用？應(yīng)用是否便捷？加解密的速度如何？帶著這些疑問(wèn)，我們今天從真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器TRNG和SM3算法模塊的調(diào)用開(kāi)始談起。

一、真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器TRNG模塊

說(shuō)到隨機(jī)，有兩個(gè)必須要搞清楚的概念即“真隨機(jī)數(shù)生成器”（TRNG）和偽隨機(jī)數(shù)生成器（PRNG）。大部分計(jì)算機(jī)程序和語(yǔ)言中的隨機(jī)函數(shù)，都是偽隨機(jī)數(shù)生成器，它們都是由確定的算法，通過(guò)一個(gè)“種子”（如“時(shí)間”）來(lái)產(chǎn)生“看起來(lái)隨機(jī)”的結(jié)果值。毫無(wú)疑問(wèn)，只要知道算法和種子，或者是之前已經(jīng)產(chǎn)生了的隨機(jī)數(shù)，那么就有可能獲得接下來(lái)隨機(jī)數(shù)序列的信息，因此它們帶有可預(yù)測(cè)性。這種可預(yù)測(cè)性在密碼學(xué)上并不安全，所以我們稱其為“偽隨機(jī)”。

與“偽隨機(jī)”相對(duì)應(yīng)的是“真隨機(jī)”，真正的隨機(jī)數(shù)僅存在于量子力學(xué)中，而我們需要的是一種不可預(yù)測(cè)的、統(tǒng)計(jì)意義上的、高安全性的隨機(jī)數(shù)。在碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列產(chǎn)品中我們提供了四組這種真隨機(jī)數(shù)源，用以產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)，同時(shí)該功能模塊是采用硬件方式實(shí)現(xiàn)的，并且通過(guò)了NIST統(tǒng)計(jì)檢測(cè)程序的隨機(jī)性測(cè)試。

下面我們具體介紹下CFW32C7UL系列產(chǎn)品的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器TRNG模塊是如何通過(guò)碼靈半導(dǎo)體官方提供的SDK函數(shù)來(lái)進(jìn)行調(diào)用的。目前碼靈半導(dǎo)體官方提供了兩種SDK，即裸機(jī)SDK和Linux SDK。

開(kāi)發(fā)模式一：裸機(jī)SDK

裸機(jī)SDK與提供的freeRTOS和uCOS SDK中相同。

① 產(chǎn)生一個(gè)真隨機(jī)數(shù)

調(diào)用HAL_TRNG_GetValue()

uint32_t HAL_TRNG_GetValue() 函數(shù)返回值為一個(gè)真隨機(jī)數(shù)

② 使用范例

uint32_t random = HAL_TRNG_GetValue();

單個(gè)函數(shù)看不出硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)有什么不同，那下面展現(xiàn)一下函數(shù)源碼：

uint32_t HAL_HRNG_GetValue()

{

  uint32_t ret;

  HRNG->CMPRES = 0x02;

  HRNG->CTRL |= (HRNG_CTRL_RNG_EN0 | HRNG_CTRL_RNG_EN1 | HRNG_CTRL_RNG_EN2 | HRNG_CTRL_RNG_EN3 | HRNG_CTRL_SCLK_SEL);

  while((HRNG->STATUS& HRNG_STATUS_FIFO_NOT_EMPTY) ==0);

  ret= HRNG->LFSR;

  return ret;

}

上面所述的就是對(duì)寄存器HRNG->CMPRE、HRNG->CTRL進(jìn)行一個(gè)配置后，等待HRNG->STATUS，之后HRNG->LFSR寄存器中取出隨機(jī)數(shù)。

開(kāi)發(fā)模式二：Linux SDK

通過(guò)操作linux系統(tǒng)中/dev/wokoo_trng，就可以進(jìn)行產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)。

① TRNG算法底層接口

? open：打開(kāi)設(shè)備節(jié)點(diǎn)

? read：讀取隨機(jī)數(shù)的數(shù)據(jù)

② 接口描述

? open

函數(shù)原型：static int uac_open(struct inode *inode, struct file * file)

參數(shù)：file:文件名

返回值：成功0，其它失敗

? read

函數(shù)原型：static ssize_t uac_read(struct file * file, char __user *buffer, size_t size , loff_t *p)

參數(shù)：file:文件名，buffer：讀出數(shù)據(jù)緩存,size:讀出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

返回值：成功0，其它失敗

③ 使用示例

trng_fd = open("/dev/wokoo_trng", O_RDWR);           //打開(kāi)trng的節(jié)點(diǎn)

read(trng_fd, (unsigned char *)&trng_data, 1);            //讀取真隨機(jī)數(shù)

CFW32C7UL系列的TRNG效率

目前碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列產(chǎn)品產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的速率是75kb/s，即每秒可以產(chǎn)生75kb的真隨機(jī)數(shù)。

二、SM3雜湊硬件算法模塊

SM3算法為國(guó)密雜湊算法，數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度為512bit，雜湊值長(zhǎng)度為256bit?；具\(yùn)算流程為：對(duì)輸入數(shù)據(jù)流做填充，構(gòu)成整數(shù)個(gè)512bit長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)流；再對(duì)數(shù)據(jù)做分組；然后對(duì)每個(gè)分組做擴(kuò)展和替換壓縮操作，得到中間的臨時(shí)雜湊值，反復(fù)進(jìn)行直到所有分組處理完畢，最后一個(gè)計(jì)算得到的雜湊值作為整個(gè)數(shù)據(jù)流的最終雜湊值輸出。

開(kāi)發(fā)模式一：裸機(jī)SDK

調(diào)用SM3_Hash產(chǎn)生SM3最終Hash值。

void SM3_Hash(uint32_t *pDataIn,uint32_t DataLen,uint32_t *pDigest)

① 函數(shù)參數(shù)說(shuō)明

  pDataIn: 輸入的數(shù)據(jù)指針( big endian)

  DataLen: 數(shù)據(jù)的bit 長(zhǎng)度

  pDigest: 輸出的最終hash值

② 使用范例

SM3_Hash (message,32,tempbuf);

//message 是原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為32，tempbuf是產(chǎn)生的256位Hash值

開(kāi)發(fā)模式二：Linux SDK

      通過(guò)操作linux系統(tǒng)中/dev/wokoo_sm3，就可以進(jìn)行SM3雜湊算法的運(yùn)算。

① SM3算法底層接口

? open：打開(kāi)設(shè)備節(jié)點(diǎn)

? read：讀取加密后的數(shù)據(jù)

? write：寫入加密的數(shù)據(jù)

② 接口描述

? Open

函數(shù)原型：static int uac_open(struct inode *inode, struct file * file)

參數(shù)：file:文件名

返回值：成功0，其它失敗

? Read

函數(shù)原型：static ssize_t uac_read(struct file * file, char __user *buffer, size_t size , loff_t *p)

參數(shù)：file:文件名，buffer：讀出數(shù)據(jù)緩存,size:讀出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

返回值：成功0，其它失敗

? Write

函數(shù)原型： static ssize_t uac_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)

參數(shù)：file:文件名，buf：寫入數(shù)據(jù)緩存,count:寫入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

返回值：成功0，其它失敗

③ 使用示例

  sm3_fd = open("/dev/wokoo_sm3", O_RDWR);          //打開(kāi)sm3節(jié)點(diǎn)

  write(sm3_fd, &sm3_data.datain, sm3_data.datalen);        //寫入需雜湊的數(shù)據(jù)

  read(sm3_fd, &sm3_data.dataout, NULL);                             //讀出雜湊完的結(jié)果

CFW32C7UL系列SM3算法的效率

通過(guò)輸入128KB數(shù)據(jù)，完成雜湊運(yùn)算后輸出運(yùn)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)時(shí)間如下圖：

目前碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)45Mbps的雜湊速率。

通過(guò)以上對(duì)CFW32C7UL系列產(chǎn)品的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器TRNG和SM3算法模塊的介紹，相信大家對(duì)國(guó)密模塊的如何使用有了初步了解，那么SM2和SM4算法在CFW32C7UL系列產(chǎn)品中如何具體使用呢？讓我們帶著這些問(wèn)題，在下期中繼續(xù)探尋吧。

今天的專題就到這兒，更多關(guān)于碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列產(chǎn)品的介紹，我們下期見(jiàn)！

本期作者：劉悅臻、梁夢(mèng)雷、陳紹景、謝耀華、謝劍杰