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Linux加密框架的應用示例（一）_家有一希的博客-CSDN博客

本文大綱

本節將從應用角度說明加密框架的運行流程，包括加密框架如何管理算法、如何動態創建算法，應用模塊如何創建算法實例、如何通過算法實例調用算法接口等。
本節中加密框架的應用模塊以IPSEC模塊（XFRM框架）為例，IPSEC模塊包括AH協議和ESP協議兩種協議，其中AH協議提供數據完整性服務，ESP協議提供數據加密服務以及可選的數據完整性服務。
AH協議和ESP協議提供的服務都是通過算法實現的
- AH協議通過認證算法提供數據完整性服務，認證算法的實現方式可以是哈希算法的HMAC模式也可以是分組算法的XCBC模式；
- ESP協議通過AEAD算法提供數據加密服務和可選的數據完整性服務，AEAD算法的實現方式可以是分組算法的CBC模式和可選的認證算法也可以是分組算法的CCM模式（同時提供加密服務和完整性服務）。
XFRM框架在安全關聯SA中配置協議使用的算法，體現在數據結構struct xfrm_state如下所示的成員變量。
xfrm.h - include/net/xfrm.h - Linux source code (v5.15.12) - Bootlin

xfrm_state

/* Full description of state of transformer. */
struct xfrm_state {possible_net_t		xs_net;union {struct hlist_node	gclist;struct hlist_node	bydst;};struct hlist_node	bysrc;struct hlist_node	byspi;struct hlist_node	byseq;refcount_t		refcnt;spinlock_t		lock;struct xfrm_id		id;struct xfrm_selector	sel;struct xfrm_mark	mark;u32			if_id;u32			tfcpad;u32			genid;/* Key manager bits */struct xfrm_state_walk	km;/* Parameters of this state. */struct {u32		reqid;u8		mode;u8		replay_window;u8		aalgo, ealgo, calgo;u8		flags;u16		family;xfrm_address_t	saddr;int		header_len;int		trailer_len;u32		extra_flags;struct xfrm_mark	smark;} props;struct xfrm_lifetime_cfg lft;/* Data for transformer */struct xfrm_algo_auth	*aalg;struct xfrm_algo	*ealg;struct xfrm_algo	*calg;struct xfrm_algo_aead	*aead;const char		*geniv;/* Data for encapsulator */struct xfrm_encap_tmpl	*encap;struct sock __rcu	*encap_sk;/* Data for care-of address */xfrm_address_t	*coaddr;/* IPComp needs an IPIP tunnel for handling uncompressed packets */struct xfrm_state	*tunnel;/* If a tunnel, number of users + 1 */atomic_t		tunnel_users;/* State for replay detection */struct xfrm_replay_state replay;struct xfrm_replay_state_esn *replay_esn;/* Replay detection state at the time we sent the last notification */struct xfrm_replay_state preplay;struct xfrm_replay_state_esn *preplay_esn;/* replay detection mode */enum xfrm_replay_mode    repl_mode;/* internal flag that only holds state for delayed aevent at the* moment*/u32			xflags;/* Replay detection notification settings */u32			replay_maxage;u32			replay_maxdiff;/* Replay detection notification timer */struct timer_list	rtimer;/* Statistics */struct xfrm_stats	stats;struct xfrm_lifetime_cur curlft;struct hrtimer		mtimer;struct xfrm_state_offload xso;/* used to fix curlft->add_time when changing date */long		saved_tmo;/* Last used time */time64_t		lastused;struct page_frag xfrag;/* Reference to data common to all the instances of this* transformer. */const struct xfrm_type	*type;struct xfrm_mode	inner_mode;struct xfrm_mode	inner_mode_iaf;struct xfrm_mode	outer_mode;const struct xfrm_type_offload	*type_offload;/* Security context */struct xfrm_sec_ctx	*security;/* Private data of this transformer, format is opaque,* interpreted by xfrm_type methods. */void			*data;
};

xfrm.h - include/net/xfrm.h - Linux source code (v5.15.12) - Bootlin

	/* Data for transformer */struct xfrm_algo_auth	*aalg;   //認證算法struct xfrm_algo	*ealg;       //加密算法struct xfrm_algo	*calg;       //壓縮算法struct xfrm_algo_aead	*aead;   //AEAD算法

在配置安全關聯SA時根據使用的協議和提供的服務設置對應的成員變量，XFRM框架定義的上述算法描述中通過算法名alg_name區分不同的算法，例如：
xfrm.h - include/uapi/linux/xfrm.h - Linux source code (v5.15.12) - Bootlin
xfrm.h - include/uapi/linux/xfrm.h - Linux source code (v5.15.12) - Bootlin
上述認證算法、加密算法、壓縮算法、AEAD算法都是結構體變量，里面都定義名為alg_name的char數組，用于指定函數的名字。XFRM框架通過這個算法名字實現算法的區分

例子
1）某個使用AH協議的SA通過MD5算法的HMAC模式提供數據完整性服務，配置成員變量aalg，算法名alg_name為"hmac(md5)"，在加密框架中表示通過HMAC模板和基礎算法MD5動態創建的哈希算法；
2）某個使用ESP協議的SA通過AES算法的CBC模式提供數據加密服務，但不提供數據完整性服務，配置成員變量ealg，算法名alg_name為"cbc(aes)"，在加密框架中表示通過chainiv模板和基礎算法"cbc(aes)“動態創建的分組算法；
3）某個使用ESP協議的SA通過AES算法的CBC模式提供數據加密服務，通過MD5算法的HMAC模式提供數據完整性服務，配置成員變量ealg和aalg，算法名alg_name分別為"cbc(aes)“和"hmac(md5)”；
4）某個使用ESP協議的SA通過AES算法的CCM模式同時提供數據加密服務和完整性服務，配置成員變量aead，算法名alg_name為"ccm(aes)”，在加密框架中表示通過CCM模板和基礎算法AES算法動態創建的AEAD算法。
在XFRM框架中，將使用ESP協議提供數據加密服務和可選的數據完整性服務的算法的稱為AEAD算法。AEAD算法有兩種實現方式，區別在于提供數據完整性的算法，一種是由分組算法提供數據加密服務，由認證算法提供數據完整性服務，如3）所示，另一種是由分組算法同時提供數據加密服務和完整性服務，如4）所示。
由于ESP協議的數據完整性服務是可選的，可以不配置認證算法，如2）所示，在XFRM框架中將2）和3）統一定義為authenc模板通過基礎算法（加密算法和可選的認證算法）動態創建的AEAD算法，如下所示。??
authenc.h - include/crypto/authenc.h - Linux source code (v5.15.12) - Bootlin
authenc.c - crypto/authenc.c - Linux source code (v5.15.12) - Bootlin

按照上述定義，2）中使用的AEAD算法名為為"authenc(digest_null,cbc(aes))"，3）中使用的AEAD算法名為"authenc(hmac(md5),cbc(aes))"
對應上述authenc頭文件中定義的結構體 crypto_authenc_keys，前一部分為認證，后面部分為加密。
如果不涉及認證部分，使用digest_null進行替代。
其中digest_null為加密框架中定義的NULL算法，其算法接口都是不進行任何處理的空函數，如下所示。?
crypto_null.c - crypto/crypto_null.c - Linux source code (v5.15.12) - Bootlin

初始階段

本節將分別介紹使用"hmac(md5)"算法的AH協議和"authenc(hmac(md5),cbc(aes))"算法的ESP協議的服務流程，包括如何創建算法實例以及如何提供服務。

1）初始階段的算法管理鏈表和算法模板管理鏈表

"hmac(md5)"算法和"authenc(hmac(md5),cbc(aes))"算法涉及的靜態基礎算法包括哈希算法MD5（即md5_salg）和分組算法AES（即aes_alg），涉及的算法模板包括HMAC模板（即hmac_tmpl）、CBC模板（即crypto_cbc_tmpl）、chainiv模板（即chainiv_tmpl）和authenc模板（crypto_authenc_tmpl）
因此加密框架初始階段的算法管理鏈表和算法模板管理鏈表如下圖所示

算法管理鏈表初始階段

在這里插入圖片描述

注：不考慮算法和算法模板的注冊順序。

算法說明

MD5算法的同步哈希算法說明記為md5_salg，通用算法說明記為md5_alg（=&md5_salg->base），如下所示。

AES算法的通用算法說明記為aes_alg，如下所示。

在這里插入圖片描述

?3）算法運行上下文

算法運行過程中所需的內存空間稱為算法運行的上下文，一般情況下由通用算法說明的成員變量cra_ctxsize標明算法運行所需的上下文空間大小（單位：字節）。
a）MD5算法運行上下文
MD5算法運行上下文用于緩存一個分組中的原始數據和計算的哈希值，抽象為數據結構struct md5_state，如下所示。
md5.h - include/crypto/md5.h - Linux source code (v5.15.12) - Bootlin

/* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
#ifndef _CRYPTO_MD5_H
#define _CRYPTO_MD5_H#include <linux/types.h>#define MD5_DIGEST_SIZE		16
#define MD5_HMAC_BLOCK_SIZE	64
#define MD5_BLOCK_WORDS		16
#define MD5_HASH_WORDS		4#define MD5_H0	0x67452301UL
#define MD5_H1	0xefcdab89UL
#define MD5_H2	0x98badcfeUL
#define MD5_H3	0x10325476ULextern const u8 md5_zero_message_hash[MD5_DIGEST_SIZE];struct md5_state {u32 hash[MD5_HASH_WORDS];   //計算的哈希數值u32 block[MD5_BLOCK_WORDS]; //緩存一個分組中原始數據u64 byte_count;             //已計算的數據字節長度
};#endif

從數據結構定義可以看出，MD5算法運行的上下文空間大小并不是由cra_ctxsize標明，而是通過哈希算法說明中的個性化參數statesize（即運行狀態）標明，即statesize = sizeof(struct md5_state)。
b）AES算法運行上下文
AES算法運行上下文用于存儲加密和解密使用的密鑰，抽象為數據結構struct crypto_aes_ctx，如下所示：

/** Please ensure that the first two fields are 16-byte aligned* relative to the start of the structure, i.e., don't move them!*/
struct crypto_aes_ctx {u32 key_enc[AES_MAX_KEYLENGTH_U32]; //加密密鑰u32 key_dec[AES_MAX_KEYLENGTH_U32]; //解密密鑰u32 key_length; //密鑰長度
};