密碼算法分類

對稱算法
非對稱算法
消息摘要（單向哈希）算法
這些算法作為加密函數框架的最底層，提供加密和解密的實際操作。這些函數可以在內核crypto文件夾下，相應的文件中找到。不過內核模塊不能直接調用這些函數，因為它們并沒有export。
內核提供一個統一的框架，來管理這些算法。加密算法通過crypto_register_alg()和crypto_unregister_alg()注冊。

對稱算法

頭文件

// 包含對稱密碼（symmetric key）算法API（該文件內部包含了linux/crypto.h所以無需再次引入linux/crypto.h）
#include <crypto/skcipher.h> 
// 對稱密碼API需要使用的struct scatterlist結構（用來保存輸入/輸出緩沖區）
#include <linux/scatterlist.h>

Linux內核scatterlist API介紹 - AlanTu - 博客園? ??

需要使用的重要數據結構和? 函數

// 用來保存加/解密緩沖區的結構
struct scatterlist sg;
// 加密算法對象（上下文）
struct crypto_skcipher *tfm;
// 異步操作請求對象
struct skcipher_request *req;
// 異步操作等待對象
struct crypto_wait wait;// 該函數用于等待異步加密操作完成，通常需要將crypto_skcipher_decrypt的返回值作為err參數傳入
int crypto_wait_req(int err, struct crypto_wait *wait);// 該函數作為異步加密操作的回調函數傳入req對象中，在加密完成后被調用
void crypto_req_done(struct crypto_async_request *req, int err);// 該函數根據密碼算法名稱分配密碼算法對象，內核支持的密碼算法可以在/proc/crypto文件中查看
struct crypto_skcipher *crypto_alloc_skcipher(const char *alg_name,u32 type, u32 mask);struct skcipher_request *skcipher_request_alloc(struct crypto_skcipher *tfm, gfp_t gfp);// init function
// 初始化scatterlist時需要使用kmalloc分配的內存，如果使用vmalloc分配的內存會導致內存頁分配錯誤，目前還不知道具體原因
void sg_init_one(struct scatterlist *sg,const void *buf, unsigned int buflen);// 設置異步調用的回調函數，這里data是一個自定數據結構，其會被傳給回調函數。
void skcipher_request_set_callback(struct skcipher_request *req,u32 flags,crypto_completion_t compl,void *data);// 內核的對稱加密API可以“原地”加密，即加解密共用相同的緩沖區，因此這里的src和dst可以設置為同一個
void skcipher_request_set_crypt(struct skcipher_request *req,struct scatterlist *src, struct scatterlist *dst,unsigned int cryptlen, void *iv);// 設置密鑰和密鑰長度，密碼長度單位為字節
int crypto_skcipher_setkey(struct crypto_skcipher *tfm,const u8 *key, unsigned int keylen);// 解密，將返回值傳入crypto_wait_req函數來等待可能的異步操作完成
int crypto_skcipher_decrypt(struct skcipher_request *req);
// 加密
int crypto_skcipher_encrypt(struct skcipher_request *req)// 釋放資源
void crypto_free_skcipher(struct crypto_skcipher *tfm);
void skcipher_request_free(struct skcipher_request *req);

scatterlist.h

scatterlist.h - include/linux/scatterlist.h - Linux source code (v5.15.11) - Bootlin
scatterlist類型數據可以認為是這些密碼算法操縱的數據對象。

crypto_skcipher

Linux Kernel Crypto API — The Linux Kernel 4.7 documentation
crypto_tfm類型指針tfm可以理解為指代了一個算法對象

操作流程

內核加密編程接口 - 老僧非是愛花紅 - 博客園

?PPT中對內核加密算法的使用總結得很詳細。總的來說，在內核態使用加密算法的過程分為以下幾步：

分配tranform對象? ?也就是具體的算法
分配request對象? 異步操作等待對象
設置上下文如加密密鑰/驗簽公鑰，填充數據源，給scatterlist設置緩沖區，給異步請求對象設置回調函數/初始化向量等，給密碼算法對象設置密鑰
完成加密/解密/摘要/驗簽
釋放transform,request等對象

?例子? SM3

struct crypto_ahash * atfm = crypto_alloc_ahash("sm3-generic",0,0);
struct ahash_request *req = ahash_request_alloc(atfm,GFP_KERNEL);
struct crypto_wait wait;crypto_init_wait(&wait);
ahash_request_set_callback(req,CRYPTO_TFM_REQ_MAY_BACKLOG,crypto_req_done,&wait);
struct scatterlist sg;sg_init_one(&sg,data,size);
ahash_request_set_crypt(req,&sg,result,size);
ret=crypto_ahash_digest(req);
ahash_request_free(req);? ? ?
crypto_free_ahash(atfm);

相關數據結構關聯

上圖粗略描述了靜態算法構造transform、構造request的過程:分配空間/初始化函數指針/建立tfm、req和alg之間的關聯。
建立關聯的過程被各種看似復雜的對象之間的包含/被包含的關系掩蓋了簡單的實質，之所以實現得這么復雜，是為了未來能靈活地對加密模塊進行擴展，閱讀這部分代碼時我們不要被這種復雜的假象所嚇倒。
最終干活的為transform，transform中保存的相關函數指針是在構造transform時從對應的alg實例中拷貝過來的，對應上圖中棕色的一部分。

?例子

int linux_kernel_crypto_decrypt(void* data_in_out, int data_len, void* key, int key_len, void* iv, int iv_len) {struct crypto_skcipher* cipher;struct skcipher_request* req;struct crypto_wait wait;struct scatterlist sg;size_t block_size;int ret;// 分配算法對象，支持的算法可以在/proc/crypto文件中查看cipher = crypto_alloc_skcipher("cbc(aes)", 0, 0);if (IS_ERR(cipher)) {printk("fail to allocate cipher\n");return -1;}// skcipher api不支持填充，所以加/解密數據需要為加密塊的整數倍block_size = crypto_skcipher_blocksize(cipher);if (data_len % block_size != 0) {printk("data len not aligned");return -1;}// 分配req對象req = skcipher_request_alloc(cipher, GFP_KERNEL);if (IS_ERR(req)) {printk("fail to allocate req\n");return -1;}sg_init_one(&sg, data_in_out, data_len);skcipher_request_set_callback(req, CRYPTO_TFM_REQ_MAY_BACKLOG, crypto_req_done, &wait);skcipher_request_set_crypt(req, &sg, &sg, data_len, iv);ret = crypto_skcipher_setkey(cipher, key, key_len);if ( 0 != ret) {printk("fail to set key, error %d\n", ret);return -1;}// 執行解密操作ret = crypto_wait_req(crypto_skcipher_decrypt(req), &wait); if (0 != ret) {printk("decryption error %d\n", ret);return -1；}// 釋放資源crypto_free_skcipher(cipher);skcipher_request_free(req);printk("decryption finished");return 0;
}

適用場景

Kernel Crypto框架_內核工匠-CSDN博客_內核crypto
Kernel crypto主要用于kernel層的安全特性實現，但在user-space也可以通過系統調用的方式來使用它；因為在Linux-2.6.38中已經通過socket (addr family: AF_ALG)方式導出接口到user-space.
在開發時如要快速確認kernel中是否支持某種算法，可以cat /proc/crypto 查看

?name代表算法名稱，hmac是對應的模式（抽象成template）
priority代表算法的優先級（在相同名稱下，數字越大代表優先級越高，默認使用高優先級的算法）；selftest代表開機算法自檢結果；type指算法類型；async指異步方式調用；blocksize指最小單個數據處理塊大小；min keysize和max keysize指算法的最小/最大密鑰長度；ivsize指算法的IV初始向量長度。
*selftest之后的所有字段其實都是crypto_type->show()所提供的，后面會提及

crypto整體框架

?crypto core是最基本骨架，它提供crypto的核心組件（包括crypto_alg，crypto_template的管理，cryptd內核線程等）；基于crypto core，內核實現了8類常用的算法，DRBG偽隨機數算法，Hash算法，SKCIPHER對稱加解密算法，AKCIPHER非對稱加解密算法，AEAD認證加密算法，HMAC算法，COMPRESS壓縮算法，KPP密鑰協商算法。
一些用于secure的硬件模塊（如hw_rng硬件隨機數產生器，qce硬加密模塊）的驅動程序，會通過crypto core提供的算法注冊接口（crypto_register_alg）將其注冊到crypto子系統中，并且在注冊時會對算法做靜態正確性自檢，并在/proc/crypto中的selftest中呈現到userspace。除了注冊到crypto子系統以外，驅動也可以通過VFS以設置節點形式提供給用戶空間使用（如/dev/qce，/dev/hw_rng）。
Crypto core通過socket方式，將kernel層的算法能力提供給用戶空間。
Kernel crypto中基本所有操作都是圍繞著幾個核心數據結構展開：struct crypto_alg，struct crypto_template，struct crypto_instance，struct crypto_tfm，struct crypto_type。其他算法都可以基于它們做擴展。例如struct skcipher_alg，struct shash_alg都是繼承自struct crypto_alg

?結構體介紹

algapi.h - include/crypto/algapi.h - Linux source code (v5.15.11) - Bootlin

struct crypto_template

算法模板，一般在module_init時通過調用crypto_register_template接口注冊到crypto_template_list鏈表中。
在算法加密中，分塊加密模式分為很多種，以對稱加解密為例，有CBC，ECB，GCM，CTR，XTS，而這些加密模式適用于所有的對稱加密算法，如AES，DES；因此kernel就將加密模式抽象成模板，在開發新的算法時只需要實現單個block的數據處理（加密，hmac等）；在申請使用算法時，我們通過算法名來組合出相應的算法（kernel會將組合出來的算法動態注冊到crypto子系統），格式為template(single block cipher)，例如cbc(aes)，ecb(des)。
- list用于模塊的crypto_template_list鏈表管理；
- instance用于管理當前模板下所有的crypto_instance；
- alloc接口用于申請算法實例；
- free用于釋放算法實例；

struct crypto_alg?

?crypto.h - include/linux/crypto.h - Linux source code (v5.15.11) - Bootlin
crypto_alg是個基類，任何算法都可以基于它派生出衍生類；每個算法都對應著一個struct crypto_alg實例，一般在module_init中調用crypto_register_alg接口將具體的crypto_alg對象添加到crypto_alg_list鏈表中。
這里有一個很重要的數據成員cra_u，因為它體現了kernel crypto架構設計者的設計思想：它將四種比較常用的算法類型的處理方式抽象到基類當中，即如果你要添加的算法為這4類，就只需要實現這4類算法所對應的方法，如果不是這4類當中，就需要在基類上做派生，實現特定的crypto_type。
- cra_list：是用作鏈表管理
- cra_users：此算法被引用的所有crypto_spawn實例鏈表。
- cra_blocksize：是單個處理數據塊大小
- cra_ctxsize：為transformation context大小
- cra_alignmask：指待處理數據buffer的對齊要求
- cra_priority：是當前算法優先級
- cra_refcnt：為當前算法的引用計數
- cra_name和cra_driver_name：分別指代算法名及驅動名
- cra_type：指算法類型；cra_u將四大類算法類型進行了統一。
- cra_init：是用于每次數據操作上下文前的初始化，比如在硬件加密中，會實現此接口對相關寄存器做初始化；cra_exit則與前者相反。
- cra_destroy：是用于crypto在kernel中注銷的相關操作。

struct crypto_instance

?algapi.h - include/crypto/algapi.h - Linux source code (v5.15.11) - Bootlin
這個結構體是代表kernel通過template動態創建的算法實例，并且會與crypto_template相關聯，可以看到這里的alg并不是個指針。它是通過template->alloc()創建的，創建的同時，會將算法name初始化。
__ctx：當前只指向crypto_spawn，我個人理解可能是架構設計者考慮到未來擴展性，就將crypto_spawn與crypto_instance拆分開來了。

struct crypto_spawn

通過模板動態生成的算法實例的一部分。

list：添加到crypto_alg->cra_users鏈表中。
frontend：見下文。

struct crypto_type

crypto_type就是用于重載crypto_alg中的cra_u中的各個類中的成員函數，當通過crypto_alloc_base，crypto_create_tfm等接口申請相應的crypto的TFM上下文時，若有傳入crypto_type參數，TFM優先使用crypto_type中的init_tfm成員函數去初始化crypto_tfm衍生類的操作方法。
- ctxsize:獲取當前算法類型TFM上下文大小（crypto_tfm+crypto_tfm.__crt_ctx）
- extsize:獲取當前算法類型TFM上下文大小（即crypto_tfm衍生類的大小）。
- init:一般為空（功能與init_tfm類似，通常在后者中初始化TFM）。
- init_tfm:顧名思義，初始化TFM。
- show:呈現當前算法類型的基本信息，/proc/crypto后半段信息就是從這獲取的。
- free:釋放crypto_instance。

struct crypto_tfm

具體算法處理(transformation)上下文的實例，里面會將此次算法上下文的key,IV等信息設置到__crt_ctx中。
crt_u：算法的operation，kernel會在__crypto_alloc_tfm接口中關聯到crypto_type或xxx_alg中的實現方法。

例子講解

通過用例介紹crypto子系統邏輯
在文件系統加密（FBE）中通過kernel crypto做密鑰派生。
背景：在Android 7.0時，引入了文件加密功能，所謂文件加密，即每個文件都用不同的key對文件進行加密。
原理：密鑰派生中，使用了crypto中的ecb(aes)算法通過類密鑰及inode.nonce派生出每個文件的密鑰。
具體實現在kernel/fs/crypto/keyinfo.c
crypto.c - fs/crypto/crypto.c - Linux source code (v5.15.11) - Bootlin

1）申請“ecb(aes)”算法的tfm上下文。這里會涉及到“算法動態注冊”，即如果在crypto_alg_list鏈表中沒有找到name為”ecb(aes)”的crypto_alg對象，那crypto子系統會通過一個名為”cryptomgr_probe”的內核線程查找到name為“ecb”的crypto_template對象，以及查找到name為”aes”的crypto_alg對象，動態創建出一個name為“ecb(aes)”的crypto_alg并注冊到鏈表當中。

在獲取到了crypto_alg后，就會申請crypto_tfm，并用crypto_alg->cra_init()或crypto_type->init_tfm()對其進行初始化（主要是當前算法的各個函數指針）。
2）在tfm上下文中申請一個數據處理請求（req）。一個tfm中，可以做多次數據加解密。這里只是申請內存，并關聯到tfm的操作。
3）設置密鑰到tfm->__crt_ctx中。
4）把待加密數據信息放入req當中。
5）以異步方式調用crypto_skcipher_encrypt對req做加密處理，線程在此會block一段時間，直到req請求被處理完成。因此不能在中斷上下文中使用。

?算法自檢

出于安全性考慮，FIPS等相關標準要求在系統開機時必須做算法正確性自檢，如果自檢失敗，則停止系統的啟動；因此算法自檢這部分自然也在框架中實現了。（源碼位于：kernel/crypto/testmgr.c）
Kernel中的算法自檢為靜態自檢，即給定輸入參數，及正確結果，如果算法計算出來的結果與正確結果不匹配，則自檢失敗。
算法自檢的時間點固定為每個crypto_alg注冊的時候，具體流程如下圖2.4所示：

Linux加密框架設計和實現

Linux加密框架設計與實現(第一部份) - 內核源碼-Chinaunix?

內核 crypto介紹

Linux kernel crypto的介紹_代碼改變世界-CSDN博客_crypto linux?

在這里插入圖片描述

af_alg是linux kernel crypto算法接口

實現了底層算法的調用(skcipher、aead、hash、rng)，并且將這些接口export出去，給linux kernel其它模塊使用(如tcrypt.c使用);
將這些接口注冊sock_register, 用戶程序通過sock通信來調用這些底層接口
在linux kernel中，僅支下四種crypto算法:
- algif_skcipher 對稱加解密算法
- algif_aead 也算一種對稱的加解密算法，具體介紹參見什么是AEAD加密
- algif_hash 數字摘要算法
- algif_rng 隨機數產生

在這里插入圖片描述

在Linux kernel的module_init階段會將algif_type_skcipher、algif_type_aead、algif_type_hash、algif_type_rng 四種算法注冊.也就是添加到af_alg維護的alg_types鏈表種. alg_types鏈表種僅有這四個數據.
在userspace通過netlink調用了，kernel種的af_alg模塊收到消息后, 根據上層傳來的算法種類名字來選擇走哪一個結構體(alg_type_xxx)的ops函數

sendmsg/recvmsg如何調用到底層encrypt/decrypt

以skcipher為例, 在userspace調用send()和recive()函數，對應的底層調用recvmsg和sendmsg函數。先看skcipher_recvmsg()函數，接受數據然后再調用encrypt/decrypt處理數據
而skcipher_sendmsg()函數就是將處理后的數據，在發送到sock端.

static int skcipher_recvmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg,size_t ignored, int flags)
{return (msg->msg_iocb && !is_sync_kiocb(msg->msg_iocb)) ?skcipher_recvmsg_async(sock, msg, flags) :skcipher_recvmsg_sync(sock, msg, flags);
}

算法的底層實現(以為aes/hash為例)

在linux crypto底層，實現aes/hash的算法有四種方式
（1）cpu的純軟實現，使用cpu的ALU,x0-x30等寄存器，加加減減的計算
（2）ARM-CE，就是The Armv8 Cryptographic Extension了，調用arm-ce的指令和寄存器，進行加加減減計算
（3）ARM-NEON ：調用arm neon指令（128bit的寄存器v0-v31），進行加加減減計算
（4）SOC crypto engine的實現

參考鏈接

Linux source code (v5.15.11) - Bootlin? ? ? ? ?Linux內核在線源代碼查詢函數定義和使用
Linux Kernel(Android) 加密算法總結(一)（cipher、compress、digest）_萬能的終端和網絡-程序員宅基地 - 程序員宅基地
沒有調用crypto_skcipher_encrypt回調 | 碼農俱樂部 - Golang中國 - Go語言中文社區
Linux內核加密接口分析_一些筆記雜談-CSDN博客_linux內核加密接口
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