PadLock AES内核测试模块(1)
一、简述
主要编写了一个测试验证PadLock AES内核接口的验证模块。应用PadLock AES内核接口实现加密解密。本文提供了应用该模块的方法、步骤、原理及源码。
二、操作环境
| 操作系统 |
mint17 |
| 内核 |
3.8.0 |
| 编译器 |
gcc4.7.3 |
| CPU |
VIA Nano X2 L4530 @ 1.6+ GHz |
| 内存 |
4G |
| 多核 |
2个 |
三、主要原理
Linux内核有关于加密的函数的接口，主要在cryto文件夹目录中。有AES、SHA等多种算法的实现接口。网上有很多介绍Linux内核关于加密算法框架的文章，通过阅读Linux内核源码，编写了一个使用AES内核函数库的内核模块。
使用AES加密算法主要有4个函数：
crypto_blkcipher_setkey crypto_blkcipher_set_iv crypto_blkcipher_encrypt crypto_blkcipher_decrypt
只有这几个函数配置正确，那么就可以正常使用Linux内核的AES加密库了。下面介绍这几个函数的用法。
static inline int crypto_blkcipher_setkey(struct crypto_blkcipher *tfm,
const u8 *key, unsigned int keylen)
该函数主要是用于设置加密关键字key。这里需要说明下AES算法的如何应用，对于算法层级，AES通过key(关键字)、iv(初始化向量)、加密模式（CBC/ECB/CFB/OFB等）、key-length(128/192/256)来确定加密的模式，依据不同的模式同样的明文加密出的密文是不一样的。crypto_blkcipher_setkey()函数就是设置其key。*key是秘钥，keylen是秘钥长度（单位字节可以选择16、24、32）
下面说说crypto_blkcipher *tfm，结构体这个是加密上下文，它是贯穿加密的始终，crypto_blkcipher_setkey、crypto_blkcipher_set_iv都是用来设置tfm这个结构体的，它是加密配置的载体。
struct crypto_blkcipher {
struct crypto_tfm base;
};
struct crypto_tfm {
u32 crt_flags;
union {
struct ablkcipher_tfm ablkcipher;
struct aead_tfm aead;
struct blkcipher_tfm blkcipher;
struct cipher_tfm cipher;
struct hash_tfm hash;
struct compress_tfm compress;
struct rng_tfm rng;
} crt_u; //确定是算法模式
void (*exit)(struct crypto_tfm *tfm); //退出函数
struct crypto_alg *__crt_alg;
void *__crt_ctx[] CRYPTO_MINALIGN_ATTR;
};
从中间那个union和上面的一堆#define可以看出，从这个结构又可以分散出一组xxx_tfm。crypto_alg对应cipher_tfm。最后那个参数__crt_ctx[]就是上面说到的算法上下文。也就是说，算法上下文是跟随tfm一起分配的。从tfm，我们就可以得到ctx。Linux提供了一个函数inline void *crypto_tfm_ctx(struct crypto_tfm *tfm);来进行转换，该函数也在<srcdir>/include/linux/crypto.h中。
下面介绍crypto_blkcipher_set_iv函数
static inline void crypto_blkcipher_set_iv(struct crypto_blkcipher *tfm,
const u8 *src, unsigned int len)
它的功能是设置iv（初始化向量）。src是iv值，len是iv的长度，tfm是和前面讲述的一样。
下面介绍核心加密函数crypto_blkcipher_encrypt_iv：
static inline int crypto_blkcipher_encrypt(struct blkcipher_desc *desc,
struct scatterlist *dst,
struct scatterlist *src,
unsigned int nbytes)
它的功能就是实现加密。返回0表示正确，1表示错误。*desc是加密上下文结构体，上面set_iv和set_key就是用来设置这个blkcipher_desc结构体的，
原型为：
struct blkcipher_desc {
struct crypto_blkcipher *tfm;
void *info;
u32 flags;
};
其中tfm就是之前我们所说的加密上下文，info通常用来存放iv，因为块加密的散集序列工具（scatterwalk）在初始化时直接将info当作iv来使用。
散集序列（scatterlist）是什么呢？【1】
在Linux内核中，跟外设打交道有三种方式：IO、端口和DMA，这个教科书上都讲了。其中DMA方式是由DMA控制器来控制内存、外设间的数据传输。我们知道，Linux的地址空间有三种：虚拟地址、物理地址和总线地址。DMA要求每次传输的一整块数据分布在连续的总线地址空间上。而DMA是为传输大块数据设计的，但是大块的连续总线地址空间通常是稀缺的。因此当没有那么多连续空间时，只能将大块数据分散到尽可能少的小块连续地址上，然后让DMA控制器一块接着一块地把数据全部传完。因此Linux内核中专门设计了一种叫做散集序列（scatterlist）的数据结构将小块的连续总线地址串起来，交给DMA驱动自动地一个接着一个地传输。
说白了，scatterlist就是一个线性表（scatterlist可以是链表，也可以是数组），每个元素包含一个指针指向一块总线地址连续的内存块，这是为DMA量身定做的数据结构。
scatterlist的结构体
struct scatterlist {
#ifdef CONFIG_DEBUG_SG
unsigned long sg_magic;
#endif
unsigned long page_link; //哪一页
unsigned int offset; //页的偏移
unsigned int length; //该数据长度
dma_addr_t dma_address;
#ifdef CONFIG_NEED_SG_DMA_LENGTH
unsigned int dma_length;
#endif
};
在本文中给scatterwalk分配空间及设置数据利用函数：
sg_init_one（）。
scatterwalk是对物理内存的操作，它便于DMA的传输。但是我们在Linux内核中的操作很多是对虚拟内存的处理（显示数据printk），因此还需要在应用scatterwalk的同时，要还需要它映射到虚拟内存中来利用（kmap），在后面实现程序中会介绍。
dst是目的地址，src是原数据，nbytes是处理的字节。
crypto_blkcipher_decrypt函数的原型是： static inline int crypto_blkcipher_decrypt(struct blkcipher_desc *desc, struct scatterlist *dst, struct scatterlist *src, unsigned int nbytes)
该函数的作用是解密，和加密算法参数类似，不再累述。