linux加密框架 crypto 算法管理 - 哈希算法应用实例

参考链接

  • Linux加密框架应用示例（二）_家有一希的博客-CSDN博客
  • linux加密框架 crypto 算法管理 - 应用角度讲解加密框架的运行流程_CHYabc123456hh的博客-CSDN博客

在应用模块中创建并初始化哈希算法实例

  • 假设某个SA配置使用的认证算法为"hmac(md5)"（即x->aalg->alg_name为"hmac(md5)"），在调用ah_init_state函数初始化SA状态时，将创建认证算法对应的异步哈希算法实例ahash，并设置HMAC密钥（密钥数据保存在SA中，即x->aalg->alg_key）

 ah_init_state函数

  • 调用ah_init_state函数初始化SA状态
static int ah_init_state(struct xfrm_state *x)
{struct ah_data *ahp = NULL;struct xfrm_algo_desc *aalg_desc;struct crypto_ahash *ahash;if (!x->aalg)goto error;if (x->encap)goto error;ahp = kzalloc(sizeof(*ahp), GFP_KERNEL);if (!ahp)return -ENOMEM;ahash = crypto_alloc_ahash(x->aalg->alg_name, 0, 0);if (IS_ERR(ahash))goto error;ahp->ahash = ahash;if (crypto_ahash_setkey(ahash, x->aalg->alg_key,(x->aalg->alg_key_len + 7) / 8))goto error;/** Lookup the algorithm description maintained by xfrm_algo,* verify crypto transform properties, and store information* we need for AH processing.  This lookup cannot fail here* after a successful crypto_alloc_ahash().*/aalg_desc = xfrm_aalg_get_byname(x->aalg->alg_name, 0);BUG_ON(!aalg_desc);if (aalg_desc->uinfo.auth.icv_fullbits/8 !=crypto_ahash_digestsize(ahash)) {pr_info("%s: %s digestsize %u != %hu\n",__func__, x->aalg->alg_name,crypto_ahash_digestsize(ahash),aalg_desc->uinfo.auth.icv_fullbits / 8);goto error;}ahp->icv_full_len = aalg_desc->uinfo.auth.icv_fullbits/8;ahp->icv_trunc_len = x->aalg->alg_trunc_len/8;if (x->props.flags & XFRM_STATE_ALIGN4)x->props.header_len = XFRM_ALIGN4(sizeof(struct ip_auth_hdr) +ahp->icv_trunc_len);elsex->props.header_len = XFRM_ALIGN8(sizeof(struct ip_auth_hdr) +ahp->icv_trunc_len);if (x->props.mode == XFRM_MODE_TUNNEL)x->props.header_len += sizeof(struct iphdr);x->data = ahp;return 0;error:if (ahp) {crypto_free_ahash(ahp->ahash);kfree(ahp);}return -EINVAL;
}
  • 创建认证算法对应的异步哈希算法实例ahash
	ahash = crypto_alloc_ahash(x->aalg->alg_name, 0, 0);if (IS_ERR(ahash))goto error;
  • 并设置HMAC密钥（密钥数据保存在SA中，即x->aalg->alg_key）
	ahp->ahash = ahash;if (crypto_ahash_setkey(ahash, x->aalg->alg_key,(x->aalg->alg_key_len + 7) / 8))goto error;

	/* Data for transformer */struct xfrm_algo_auth	*aalg;   //认证算法struct xfrm_algo	*ealg;       //加密算法struct xfrm_algo	*calg;       //压缩算法struct xfrm_algo_aead	*aead;   //AEAD算法

  • 这一块有点绕
  • 由于默认算法以异步方式实现，因此在ah_init_state函数中将调用crypto_alloc_ahash函数创建与认证算法"hmac(md5)"对应的异步哈希算法实例，记为hmac_md5_ahash。
  • 由于MD5算法是以同步方式实现的，由其衍生的"hmac(md5)"算法也是以同步方式实现的，因此也会同步创建"hmac(md5)"算法的同步哈希算法实例，记为hmac_md5_shash。
  • 由于"hmac(md5)"算法是在MD5算法基础上构造的，具体的算法运算由MD5算法实现，因此还会同步创建MD5算法的同步哈希算法实例，记为md5_shash。
  • 综上所述，调用crypto_alloc_ahash函数实际上创建了三个算法实例，其中hmac_md5_ahash是面向具体算法应用（如IPSEC模块）的，md5_shash是面向具体算法实现（如MD5算法）的，hmac_md5_shash负责将hmac_md5_ahash和md5_shash两个算法实例串联在一起，三个算法实例的关系如下所示。

在这里插入图片描述

创建哈希算法实例hmac_md5_ahash

  • 下面将按照函数调用关系逐步说明如何创建哈希算法实例hmac_md5_ahash。

1）ah_init_state函数

  • ah_init_state函数调用crypto_alloc_ahash函数异步哈希算法实例hmac_md5_ahash时，输入参数包括算法alg_name（=“hmac(md5)”）、算法类型type（=0）和算法类型屏蔽字mask（=0）
	ahash = crypto_alloc_ahash(x->aalg->alg_name, 0, 0);if (IS_ERR(ahash))goto error;
  • 从函数的输入参数可知，ah_init_state函数不关心认证算法的实现方式，只关心是否有可提供服务的认证算法。

2）crypto_alloc_ahash函数

  • 实际上crypto_alloc_ahash函数是一个包裹函数（wrapper），具体工作由crypto_alloc_tfm函数实现。crypto_alloc_tfm函数继承了调用者所有的输入参数。
  • ahash.c - crypto/ahash.c - Linux source code (v5.15.12) - Bootlin
  • 由于crypto_alloc_tfm函数并不是创建特定的算法实例（即特定数据结构指针），而是返回一个通用指针（即void *），由调用者具体解释通用指针的含义（即将通用指针转换为特定算法实例数据结构指针）。不同类型算法实例占用的内存空间不同、初始化流程存在差异，这些不同和差异由crypto_alloc_tfm函数的输入参数frontend说明，在这里参数frontend按照字面理解为算法前端，按照数据结构实际上就是算法类型常量指针。
  • frontend的类型是 crypto_type
  • internal.h - crypto/internal.h - Linux source code (v5.15.12) - Bootlin  
  • 由于crypto_alloc_ahash函数用于创建异步哈希算法实例，因此在调用crypto_alloc_tfm函数时传递的frontend参数为异步哈希算法类型常量crypto_shash_type，调用结束后将crypto_alloc_tfm函数返回地通用指针隐式地强制转换为异步哈希算法实例指针。

3）crypto_alloc_tfm函数

  • api.c - crypto/api.c - Linux source code (v5.15.12) - Bootlin
  • crypto_alloc_tfm函数内部调用  crypto_alloc_tfm_node 函数
  • crypto_alloc_tfm_node 函数的基本逻辑是先调用crypto_find_alg函数查找符合条件（包括算法名alg_name、算法类型type和算法类型屏蔽字）的算法alg，然后再调用crypto_create_tfm_node函数创建与算法alg关联的算法实例tfm。
void *crypto_alloc_tfm_node(const char *alg_name,const struct crypto_type *frontend, u32 type, u32 mask,int node)
{void *tfm;int err;for (;;) {struct crypto_alg *alg;alg = crypto_find_alg(alg_name, frontend, type, mask);if (IS_ERR(alg)) {err = PTR_ERR(alg);goto err;}tfm = crypto_create_tfm_node(alg, frontend, node);if (!IS_ERR(tfm))return tfm;crypto_mod_put(alg);err = PTR_ERR(tfm);err:if (err != -EAGAIN)break;if (fatal_signal_pending(current)) {err = -EINTR;break;}}return ERR_PTR(err);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(crypto_alloc_tfm_node);
  • 假设第一次使用"hmac(md5)“算法，算法查找不命中，因此加密框架将根据算法模板（HMAC模板）和基础算法（MD5算法）动态创建新的算法（通用算法说明记为hmac_md5_alg）并注册。
  • 截至到目前为止，函数接口调用关系如下图所示

 在这里插入图片描述

  •  crypto_find_alg 函数调用之前，alg_name指代hmac(md5)，crypto_find_alg函数转化之后输出alg，alg已经指定的是hmac_md5_alg

3. 创建动态算法"hmac(md5)”

  • 1）crypto_find_alg函数
  • crypto_find_alg函数的主要功能是确认算法查找的预期算法类型（包括算法类型type以及算法类型屏蔽字mask）和算法查找接口lookup
  • api.c - crypto/api.c - Linux source code (v5.15.12) - Bootlin
struct crypto_alg *crypto_find_alg(const char *alg_name,const struct crypto_type *frontend,u32 type, u32 mask)
{if (frontend) {type &= frontend->maskclear;mask &= frontend->maskclear;type |= frontend->type;mask |= frontend->maskset;}return crypto_alg_mod_lookup(alg_name, type, mask);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(crypto_find_alg);

  • 按照调用关系，此时传递给crypto_find_alg函数的算法前端frontend为异步哈希算法类型常量crypto_ahash_type，算法类型type和算法类型屏蔽字均为0，其中算法前端frontend与算法查找相关的成员变量如下所示。

static const struct crypto_type crypto_ahash_type = {.extsize = crypto_ahash_extsize,.init_tfm = crypto_ahash_init_tfm,.free = crypto_ahash_free_instance,
#ifdef CONFIG_PROC_FS.show = crypto_ahash_show,
#endif.report = crypto_ahash_report,.maskclear = ~CRYPTO_ALG_TYPE_MASK,.maskset = CRYPTO_ALG_TYPE_AHASH_MASK,.type = CRYPTO_ALG_TYPE_AHASH,.tfmsize = offsetof(struct crypto_ahash, base),
};
  • 在调用算法查找接口lookup（默认接口crypto_alg_mod_lookup）时，算法类型type为CRYPTO_ALG_TYPE_AHASH，算法类型屏蔽字mask为CRYPTO_ALG_TYPE_AHASH_MASK。
  • 注意事项：未找到证据  在遍历算法管理链表查找算法前（crypto_larval_lookup函数），还会再次更新算法类型为type=type&mask=0x08（在算法类型定义中为CRYPTO_ALG_TYPE_HASH）。
  • api.c - crypto/api.c - Linux source code (v5.15.12) - Bootlin
  • api.c - crypto/api.c - Linux source code (v5.15.12) - Bootlin

  • 在遍历管理算法链表时，如果((cra_flags ^ type) & mask)=0表示当前算法满足查找条件中的算法类型要求，否则不满足算法类型要求，也就是说只要是哈希算法，无论是同步方式实现还是异步方式实现，都满足算法类型要求。
  • api.c - crypto/api.c - Linux source code (v5.15.12) - Bootlin

  • 2）crypto_alg_mod_lookup函数
  • 在crypto_alg_mod_lookup函数中，调用crypto_larval_lookup函数查找符合条件的算法。假设第一次使用"hmac(md5)"算法，算法查找不命中，在调用crypto_larval_lookup函数时将返回一个与查找算法同名的注册用算法幼虫，记为hmac_md5_larval_r。
  • 算法查找不命中时，加密框架尝试动态创建符合条件的算法，调用crypto_probing_notify函数在加密通知链发布一个算法注册（CRYPTO_MSG_ALG_REQUEST）通知，动态创建"hmac(md5)“算法，传递的参数由注册用算法幼虫hmac_md5_larval_r指定。
  • larvel 接收 crypto_larval_lookup  返回的  算法同名的注册用算法幼虫，记为hmac_md5_larval_r
  • larvel 指定 hmac_md5_larval_r；
  • larvel 作为函数的形参输入，由函数 crypto_probing_notify 进行 算法注册
  • api.c - crypto/api.c - Linux source code (v5.15.12) - Bootlin

  • 发布算法注册通知时，通过解析注册用算法幼虫hmac_md5_larval_r的算法名（即"hmac(md5)”）可获取算法模板名hmac和基础算法名md5，加上预期的算法类型共同组成传递给算法探测线程cryptomgr_probe的参数param。 

  • https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source/crypto/algboss.c#L50
  • 算法探测线程运行时，根据算法模板名hmac查找到对应的算法模板hmac_tmpl。由于算法模板hmac_tmpl定义了create接口（即hmac_create函数），将调用之根据参数列表param->tb创建并注册动态算法。

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