一文看懂碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列產(chǎn)品應(yīng)用（三）： 國際標(biāo)準(zhǔn)加解密算法
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歡迎再次來到“碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列產(chǎn)品應(yīng)用介紹”連載專題。通過前幾期對CFW32C7UL系列的國密算法介紹，相信大家對碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列的國密硬件模塊有了充分的了解。
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202007/416534.htm
由于發(fā)展歷程原因，目前市場上商用密碼使用仍然以國際標(biāo)準(zhǔn)加解密算法為主，不過隨國家對國密算法的推進(jìn)，未來國密算法的應(yīng)用也會越來越廣泛。碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列的加解密模塊除了之前介紹的國密密碼算法以外，還支持國際標(biāo)準(zhǔn)加解密算法的AES加解密算法和SHA-1、SHA-256哈希算法。本專題聚焦于CFW32C7UL系列所支持的國際標(biāo)準(zhǔn)加解密算法硬件模塊：AES分組加解密算法和SHA哈希算法。以下我們具體介紹下CFW32C7UL系列AES和SHA模塊的使用以及加解密的速度。
一、AES分組加解密算法
AES是Advanced Encryption Standard的縮寫，即高級加密標(biāo)準(zhǔn)，在密碼學(xué)中又稱Rijndael加密法，是美國聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標(biāo)準(zhǔn)。高級加密標(biāo)準(zhǔn)是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）于2001年11月26日發(fā)布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成為有效的標(biāo)準(zhǔn)。這個標(biāo)準(zhǔn)用來替代原先的DES，已經(jīng)被多方分析且廣為全世界所使用，至2006年，高級加密標(biāo)準(zhǔn)已然成為對稱密鑰加密中最流行的算法之一。
1、CFW32C7UL AES分組算法的實(shí)現(xiàn)
CFW32C7UL 系列的AES模塊可完成標(biāo)準(zhǔn)AES加解密運(yùn)算和AES-CM、AES-F8加密運(yùn)算。標(biāo)準(zhǔn)AES算法即AES標(biāo)準(zhǔn)（FIPS-197）中規(guī)定的算法。AES-CM和AES-F8算法在The Secure Real-time Transport Protocol（SRTP）中有詳細(xì)說明，這兩種算法均以標(biāo)準(zhǔn)AES算法為基礎(chǔ)，并對標(biāo)準(zhǔn)AES算法進(jìn)行迭代運(yùn)用。
AES模塊中的標(biāo)準(zhǔn)AES算法除了支持CPU輸入輸出外，還支持DMA輸入和DMA輸出，而AES-CM、AES-F8只支持DMA輸出。
2、CFW32C7UL AES分組算法的使用
開發(fā)模式一：裸機(jī)SDK
目前CFW32C7UL系列裸機(jī)SDK支持AES-CM, AES-F8，以及標(biāo)準(zhǔn)的AES加解密方式。其中AES-CM和AES-F8只支持加密，不支持解密。標(biāo)準(zhǔn)的AES方式支持加密和解密。
在CFW32C7UL系列 AES的SDK中有個關(guān)鍵的CIPHER_AES_Init_TypeDef結(jié)構(gòu)體：
typedef struct {
uint32_t mode;
uint32_t encrypt;
uint32_t type;
uint32_t key_len;
uint32_t blk_num;
uint32_t key[8];
uint32_t key_f8_mask[8];
uint32_t *input_data;
uint32_t *output_data;
}CIPHER_AES_Init_TypeDef;
在使用AES算法之前需要初始化CIPHER_AES_Init_TypeDef結(jié)構(gòu)體，初始化范例：
cipher_aes_init.encrypt = CIPHER_AES_CTRL_ENCRYPT;
cipher_aes_init.input_data= (uint32_t *)aes_in_data;
cipher_aes_init.output_data = (uint32_t *)aes_out_data;
cipher_aes_init.blk_num= 1; 加解密輪數(shù)
cipher_aes_init.key_len= CIPHER_AES_KEY_LEN_128BIT;
cipher_aes_init.key[0] = 0x21212121;設(shè)置AES 密鑰，可自定義
cipher_aes_init.key[1] = 0x43434343;
cipher_aes_init.key[2] = 0x65656565;
cipher_aes_init.key[3] = 0x87878787;
配置cipher_aes_init結(jié)構(gòu)體的初始化參數(shù)后，便可以進(jìn)行相對應(yīng)的AES加密運(yùn)算。
AES CM加密算法：
cipher_aes_init.mode = CIPHER_AES_MODE_AES_CM;
HAL_CIPHER_CM_AES(&cipher_aes_init);
AES F8加密算法：
cipher_aes_init.mode = CIPHER_AES_MODE_AES_F8;
HAL_CIPHER_F8_AES(&cipher_aes_init);
標(biāo)準(zhǔn)AES 加解密方式:
加密范例：
cipher_aes_init.encrypt = CIPHER_AES_CTRL_ENCRYPT;
cipher_aes_init.mode = CIPHER_AES_MODE_AES_STD;
HAL_CIPHER_StdAES(&cipher_aes_init);
解密范例：
cipher_aes_init.encrypt = CIPHER_AES_CTRL_DECRYPT;
cipher_aes_init.mode = CIPHER_AES_MODE_AES_STD;
HAL_CIPHER_StdAES(&cipher_aes_init);
開發(fā)模式二：Linux SDK
通過操作linux系統(tǒng)中/dev/wokoo_aes ，就可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)AES分組加密算法的運(yùn)算。
AES算法底層接口
open：打開設(shè)備節(jié)點(diǎn)
read：讀取加密/解密后的數(shù)據(jù)
write：寫入加密前/解密前的數(shù)據(jù)以及密鑰和配置
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)長度
返回值：成功0，其它失敗
使用示例：
fd = open("/dev/wokoo_aes", O_RDWR); 打開aes節(jié)點(diǎn)
write(fd, &wokoo_aes, sizeof(struct wokoo_aes_t)); 寫入明文/密文，密鑰等配置
read(fd, wokoo_aes.output_data, sizeof(wokoo_aes.output_data)); 讀出密文/明文
注：這里的write寫入的wokoo_aes結(jié)構(gòu)體，如同在裸機(jī)中使用一樣，會在調(diào)用前初始化一些參數(shù)，通過write把密鑰和模式配置寫入。
3、CFW32C7UL AES算法的效率：
目前碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系的可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)AES加密速率是85KB/s。
二、SHA哈希算法模塊
1、CFW32C7UL SHA哈希算法的實(shí)現(xiàn)
CFW32C7UL系列的SHA哈希算法支持SHA-1以及SHA-256。SHA1是SHA的較舊版本，可生成160位哈希值，而SHA256是SHA2的一種類型，可生成256位哈希值。
CFW32C7UL系列的SHA模塊支持DMA輸入和CPU輸入，輸出僅支持CPU輸出。
2、CFW32C7UL SHA算法的使用
開發(fā)模式一：裸機(jī)SDK
目前裸機(jī)開發(fā)支持SHA-1以及SHA-256兩種哈希算法SDK，兩種算法分別有CPU輸入和DMA輸入的方式。
在CFW32C7UL系列 SHA的SDK中有個關(guān)鍵的CIPHER_SHA_Init_TypeDef結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體定義如下：
typedef struct {
uint32_t mod;
uint32_t line_num;
uint32_t *input_data;
uint32_t *output_data;
}CIPHER_SHA_Init_TypeDef;
使用SHA SDK之前，需初始化這個結(jié)構(gòu)體。包括設(shè)置數(shù)據(jù)量和設(shè)置數(shù)據(jù)的輸入輸出流。
cipher_sha_init.line_num = 0x01; 設(shè)置SHA的數(shù)據(jù)輸入輪數(shù)為1
cipher_sha_init.input_data = (uint32_t *)sha_in_data; 設(shè)置SHA 輸入流
cipher_sha_init.output_data = (uint32_t *)sha_out_data; 設(shè)置SHA輸出流
配置完cipher_sha_init結(jié)構(gòu)體的初始化參數(shù)后，便可以進(jìn)行相對應(yīng)的SHA哈希運(yùn)算。
調(diào)用HAL_CIPHER_SHA_DMA()進(jìn)行DMA輸入方式SHA哈希運(yùn)算。
cipher_sha_init.mod = CIPHER_SHA_MOD_SHA1; 配置SHA-1算法
HAL_CIPHER_SHA_DMA(&cipher_sha_init); 啟動SHA-1算法 (DMA Input)
cipher_sha_init.mod = CIPHER_SHA_MOD_SHA256; 配置SHA-256算法
HAL_CIPHER_SHA_DMA(&cipher_sha_init); 啟動SHA-256算法 (DMA Input)
調(diào)用HAL_CIPHER_SHA_CPU ()進(jìn)行 CPU輸入方式SHA哈希運(yùn)算。
cipher_sha_init.mod = CIPHER_SHA_MOD_SHA1; 配置SHA-1算法
HAL_CIPHER_SHA_CPU (&cipher_sha_init); 啟動SHA-1算法（CPU Input）
cipher_sha_init.mod = CIPHER_SHA_MOD_SHA256; 配置SHA-256算法
HAL_CIPHER_SHA_CPU (&cipher_sha_init); 啟動SHA-256算法（CPU Input）
開發(fā)模式二：Linux SDK
通過操作linux系統(tǒng)中/dev/wokoo_sha ，便可以進(jìn)行SHA算法的運(yùn)算。
SHA算法底層接口
open：打開設(shè)備節(jié)點(diǎn)
read：讀取哈希后的數(shù)據(jù)
write：寫入哈希的數(shù)據(jù)以及配置模式
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)長度
返回值：成功0，其它失敗
使用范例：
fd = open("/dev/wokoo_sha", O_RDWR); 打開sha節(jié)點(diǎn)
write(fd, &wokoo_sha, sizeof(struct wokoo_sha_t)); 寫入需要哈希的數(shù)據(jù)
read(fd, wokoo_sha.output_data, sizeof(wokoo_sha.output_data)); 讀出哈希后的數(shù)據(jù)
類似地，LINUX在初始化wokoo_sha結(jié)構(gòu)體時會根據(jù)給定參數(shù)選擇不同的算法，輸入數(shù)據(jù)輪數(shù)和輸入方式，根據(jù)不同的參數(shù)計算不同的結(jié)果。如下示例：
wokoo_sha.bit_mod = CIPHER_SHA_MOD_SHA256; 選擇SHA-256方式
wokoo_sha.data_mod = CIPHER_SHA_TYPE_DMA; 選擇DMA輸入方式
wokoo_sha.line_num = 1; 設(shè)置數(shù)據(jù)輸入輪數(shù)為1
3、CFW32C7UL SHA算法的效率
目前碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列SHA-1以及SHA-256的加密速率可以實(shí)現(xiàn)87KB/s。
通過這幾期對碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列的國密及國際標(biāo)準(zhǔn)加解密算法的介紹，相信大家對CFW32C7UL系列的加解密模塊有一個相對全面的了解。國密算法與國際標(biāo)準(zhǔn)加解密算法的對標(biāo)關(guān)系是：國密算法的SM4和國際標(biāo)準(zhǔn)加解密算法AES對標(biāo)，國密算法的SM3算法與國際標(biāo)準(zhǔn)加解密算法MD5、SHA-256等哈希算法對標(biāo)，國密算法的SM2算法與國際標(biāo)準(zhǔn)加解密算法RSA、ECC算法對標(biāo)。其實(shí)CFW32C7UL系列在芯片安全機(jī)制方面，除了加解密模塊外還有其它的安全特性和功能配置，那它們具體都是什么呢？又有什么特點(diǎn)呢？讓我們帶著這些問題，在下期中繼續(xù)探尋吧。
本期作者：劉悅臻、梁夢雷、陳紹景、謝耀華、謝劍杰
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