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ESP32 基础篇: mbedTLS 内存开销分析

1. 摘要

本文主要列举实际测试的 mbedTLS 在各种配置参数下，SSL 握手的内存开销和相应的测试方法。

2. 测试方法

测试版本：ESP-IDF - tag: v2.1.1

测试思路是原子级的测试内存的开销，也就是说每次只要有内存分配就统计剩余的内存。代码修改方法如下：

找到 malloc 的桩函数 _malloc_r，位于 esp-idf/components/newlib/syscalls.c
- 在里面添加全局统计变量：
```
size_t s_mem_mark;
```

添加复位 API 和获取 API：

size_t IRAM_ATTR get_mem_mark(void)
{
    return s_mem_mark;
}

void IRAM_ATTR reset_mem_mark(void)
{
    s_mem_mark = (size_t)-1;
}

修改 _malloc_r 函数如下：

void* IRAM_ATTR _malloc_r(struct _reent *r, size_t size)
{
    void *p =heap_caps_malloc_default( size );

    if (p) {
        size_t mem_size = esp_get_free_heap_size();
        if (mem_size < s_mem_mark)
            s_mem_mark = mem_size;
    }

    return p;
}

测试代码代码修改如下：

找到 example/protocol/openssl_client/openssl_client_example_main.c，添加全局API 声明：

extern size_t get_mem_mark(void);
extern void reset_mem_mark(void);
extern size_t esp_get_free_heap_size(void);

在 ESP_LOGI(TAG, "create SSL context ......"); 之前添加：

reset_mem_mark();
printf("start heap %d\n", esp_get_free_heap_size());

在以下代码

ret = SSL_connect(ssl);
if (!ret) {
    ESP_LOGI(TAG, "failed " );
    goto failed4;
}
ESP_LOGI(TAG, "OK");

下方添加：

printf("min heap %d\n", get_mem_mark());
printf("end heap %d\n", esp_get_free_heap_size());

while (1);

SSL server 代码部分也做类似的修改。

通过以上的修改，可以统计出 SSL 握手之前的内存，握手中系统剩余的最小内存和握手结束以后的内存。为了测试方便可以用2个 ESP32 模组进行测试，1个做 server，1个做 client，通过 menuconfig 配置 WIFI 和连接参数进行测试。

3. 测试数据

本章主要列举各种配置参数和具体测试数据。

3.1 client 模式

本节具体列举了 client 模式下非认证，本地认证，双向认证模式下，配置各种大小的 fragment 和证书所消耗的内存。

3.1.1 非认证 Fragment 测试

测试非认证模式下各 fragment 大小和内存开销的关系，限定测试条件如下：

RSA2048 加密
秘钥大小 1704 Bytes
证书大小 1261 Bytes

3.1.1.1 数据

Fragment/B	开始	最小	最大	最大消耗/B	最后消耗/B
2048	234764	213140	222692	21624	12072
3072	234764	211404	220692	23360	14072
4096	234760	209288	218568	25472	16192
5120	234760	207248	216568	27512	18192
6144	234764	205284	214568	29480	20196
7168	234764	202844	212484	31920	22280
8192	234764	200796	210424	33968	24340

3.1.2 本地认证 Fragment 测试

测试本地认证模式下各 fragment 大小和内存开销的关系，限定测试条件如下：

RSA2048 加密
秘钥大小 1704 Bytes
证书大小 1261 Bytes
认证证书大小 1261 Bytes

3.1.2.1 数据

Fragment/B	开始	最小	最大	最大消耗/B	最后消耗/B
2048	234764	211432	220024	23332	14740
3072	234760	208700	217976	26060	16784
4096	234760	206644	215920	28116	18840
5120	234760	204600	213716	30160	21044
6144	234760	202560	211860	32200	22900
7168	234764	200520	209804	34244	24960
8192	234764	198496	207748	36268	27016

3.1.3 双向认证 Fragment 测试

测试双向认证模式下各 fragment 大小和内存开销的关系，限定测试条件如下：

RSA2048 加密
秘钥大小 1704 Bytes
证书大小 1261 Bytes
CA证书大小 1261 Bytes

3.1.3.1 数据

Fragment/B	开始	最小	最大	最大消耗/B	最后消耗/B
2048	234764	208484	216452	26280	18312
3072	234764	205108	214404	29656	20360
4096	234760	202616	212012	32144	22748
5120	234764	201004	210304	33760	24460
6144	234760	198592	208192	36168	26568
7168	234764	196884	206172	37880	28592
8192	234760	194828	204096	39932	30664

3.1.4 非认证证书测试

测试非认证模式下各证书加秘钥总大小和内存开销的关系，限定测试条件如下：

fragment 为 8KB

3.1.4.1.数据

server 使用 RSA2048 — RSA8192 的秘钥和生成的证书。

证书和秘钥/B	开始	最小	最大	最大消耗/B	最后消耗/B
2936	234764	208484	216452	26280	18312
4065	234764	205108	214404	29656	20360
5195	234760	202616	212012	32144	22748
6324	234764	201004	210304	33760	24460
7449	234760	198592	208192	36168	26568
8575	234764	196884	206172	37880	28592
9709	234760	194828	204096	39932	30664

3.1.5 单向认证证书测试

测试单向认证模式下各证书加秘钥总大小和内存开销的关系，限定测试条件如下：

fragment 为 8KB

3.1.5.1 数据

server 使用 RSA2048 - RSA8192 的秘钥和生成的证书。

证书和秘钥/B	开始	最小	最大	最大消耗/B	最后消耗/B
4197	234564	198148	207760	36416	26804
5679	234760	195028	203772	39732	30988
7155	234564	192028	202200	42536	32364
8633	234760	188760	200552	46000	34208
10103	234760	186336	198772	48424	35988
11575	234760	184000	197228	50760	37532
13058	234760	179832	195572	54928	39188

3.1.6 双向认证证书测试

测试双向认证模式下各证书加秘钥大小和内存开销的关系，限定测试条件如下：

fragment 为 8KB

3.1.6.1 数据

server 使用 RSA2048 — RSA8192 的秘钥和生成的证书，以下表格首项为 client 和 server 端认证证书，证书和秘钥的总和。

证书和秘钥/B	开始	最小	最大	最大消耗/B	最后消耗/B
8394	234760	194816	204104	39944	30656
11358	234760	189988	199072	44772	35688
14310	234760	188208	196672	46552	38088
17266	234760	183472	194060	51288	40700
20206	234760	178840	191296	55920	43464
23150	234760	173740	188488	61020	46272
26116	234760	170400	186056	64360	48704

3.2 server 模式

本节具体列举了 server 模式下非认证模式，双向认证模式和配置各种大小的证书所消耗的内存。

3.2.1 非认证 Fragment 测试

测试非认证模式下各 fragment 大小和内存开销的关系，限定测试条件如下：

RSA2048 加密
秘钥大小 1704 Bytes
证书大小 1261 Bytes

3.2.1.1 数据

Fragment/B	开始	最小	最大	最大消耗/B	最后消耗/B
2048	234780	202724	216284	32056	18496
3072	234780	200691	214271	34089	20509
4096	234780	198659	212261	36121	22519
5120	234780	196628	210251	38152	24529
6144	234780	194597	208241	40183	26539
7168	234780	192565	206231	42215	28549
8192	234780	190536	204224	44244	30556

3.2.2 双向认证 Fragment 测试