密码算法分类

对称算法
非对称算法
消息摘要（单向哈希）算法
这些算法作为加密函数框架的最底层，提供加密和解密的实际操作。这些函数可以在内核crypto文件夹下，相应的文件中找到。不过内核模块不能直接调用这些函数，因为它们并没有export。
内核提供一个统一的框架，来管理这些算法。加密算法通过crypto_register_alg()和crypto_unregister_alg()注册。

对称算法

头文件

// 包含对称密码（symmetric key）算法API（该文件内部包含了linux/crypto.h所以无需再次引入linux/crypto.h）
#include <crypto/skcipher.h> 
// 对称密码API需要使用的struct scatterlist结构（用来保存输入/输出缓冲区）
#include <linux/scatterlist.h>

Linux内核scatterlist API介绍 - AlanTu - 博客园

需要使用的重要数据结构和函数

// 用来保存加/解密缓冲区的结构
struct scatterlist sg;
// 加密算法对象（上下文）
struct crypto_skcipher *tfm;
// 异步操作请求对象
struct skcipher_request *req;
// 异步操作等待对象
struct crypto_wait wait;// 该函数用于等待异步加密操作完成，通常需要将crypto_skcipher_decrypt的返回值作为err参数传入
int crypto_wait_req(int err, struct crypto_wait *wait);// 该函数作为异步加密操作的回调函数传入req对象中，在加密完成后被调用
void crypto_req_done(struct crypto_async_request *req, int err);// 该函数根据密码算法名称分配密码算法对象，内核支持的密码算法可以在/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时需要使用kmalloc分配的内存，如果使用vmalloc分配的内存会导致内存页分配错误，目前还不知道具体原因
void sg_init_one(struct scatterlist *sg,const void *buf, unsigned int buflen);// 设置异步调用的回调函数，这里data是一个自定数据结构，其会被传给回调函数。
void skcipher_request_set_callback(struct skcipher_request *req,u32 flags,crypto_completion_t compl,void *data);// 内核的对称加密API可以“原地”加密，即加解密共用相同的缓冲区，因此这里的src和dst可以设置为同一个
void skcipher_request_set_crypt(struct skcipher_request *req,struct scatterlist *src, struct scatterlist *dst,unsigned int cryptlen, void *iv);// 设置密钥和密钥长度，密码长度单位为字节
int crypto_skcipher_setkey(struct crypto_skcipher *tfm,const u8 *key, unsigned int keylen);// 解密，将返回值传入crypto_wait_req函数来等待可能的异步操作完成
int crypto_skcipher_decrypt(struct skcipher_request *req);
// 加密
int crypto_skcipher_encrypt(struct skcipher_request *req)// 释放资源
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类型数据可以认为是这些密码算法操纵的数据对象。

crypto_skcipher

Linux Kernel Crypto API — The Linux Kernel 4.7 documentation
crypto_tfm类型指针tfm可以理解为指代了一个算法对象

操作流程

内核加密编程接口 - 老僧非是爱花红 - 博客园

PPT中对内核加密算法的使用总结得很详细。总的来说，在内核态使用加密算法的过程分为以下几步：

分配tranform对象也就是具体的算法
分配request对象异步操作等待对象
设置上下文如加密密钥/验签公钥，填充数据源，给scatterlist设置缓冲区，给异步请求对象设置回调函数/初始化向量等，给密码算法对象设置密钥
完成加密/解密/摘要/验签
释放transform,request等对象

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);

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;// 分配算法对象，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/解密数据需要为加密块的整数倍block_size = crypto_skcipher_blocksize(cipher);if (data_len % block_size != 0) {printk("data len not aligned");return -1;}// 分配req对象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;}// 执行解密操作ret = crypto_wait_req(crypto_skcipher_decrypt(req), &wait); if (0 != ret) {printk("decryption error %d\n", ret);return -1；}// 释放资源crypto_free_skcipher(cipher);skcipher_request_free(req);printk("decryption finished");return 0;
}

适用场景

Kernel Crypto框架_内核工匠-CSDN博客_内核crypto
Kernel crypto主要用于kernel层的安全特性实现，但在user-space也可以通过系统调用的方式来使用它；因为在Linux-2.6.38中已经通过socket (addr family: AF_ALG)方式导出接口到user-space.
在开发时如要快速确认kernel中是否支持某种算法，可以cat /proc/crypto 查看

name代表算法名称，hmac是对应的模式（抽象成template）
priority代表算法的优先级（在相同名称下，数字越大代表优先级越高，默认使用高优先级的算法）；selftest代表开机算法自检结果；type指算法类型；async指异步方式调用；blocksize指最小单个数据处理块大小；min keysize和max keysize指算法的最小/最大密钥长度；ivsize指算法的IV初始向量长度。
*selftest之后的所有字段其实都是crypto_type->show()所提供的，后面会提及

crypto整体框架

crypto core是最基本骨架，它提供crypto的核心组件（包括crypto_alg，crypto_template的管理，cryptd内核线程等）；基于crypto core，内核实现了8类常用的算法，DRBG伪随机数算法，Hash算法，SKCIPHER对称加解密算法，AKCIPHER非对称加解密算法，AEAD认证加密算法，HMAC算法，COMPRESS压缩算法，KPP密钥协商算法。
一些用于secure的硬件模块（如hw_rng硬件随机数产生器，qce硬加密模块）的驱动程序，会通过crypto core提供的算法注册接口（crypto_register_alg）将其注册到crypto子系统中，并且在注册时会对算法做静态正确性自检，并在/proc/crypto中的selftest中呈现到userspace。除了注册到crypto子系统以外，驱动也可以通过VFS以设置节点形式提供给用户空间使用（如/dev/qce，/dev/hw_rng）。
Crypto core通过socket方式，将kernel层的算法能力提供给用户空间。
Kernel crypto中基本所有操作都是围绕着几个核心数据结构展开：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们做扩展。例如struct skcipher_alg，struct shash_alg都是继承自struct crypto_alg

结构体介绍

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时通过调用crypto_register_template接口注册到crypto_template_list链表中。
在算法加密中，分块加密模式分为很多种，以对称加解密为例，有CBC，ECB，GCM，CTR，XTS，而这些加密模式适用于所有的对称加密算法，如AES，DES；因此kernel就将加密模式抽象成模板，在开发新的算法时只需要实现单个block的数据处理（加密，hmac等）；在申请使用算法时，我们通过算法名来组合出相应的算法（kernel会将组合出来的算法动态注册到crypto子系统），格式为template(single block cipher)，例如cbc(aes)，ecb(des)。
- list用于模块的crypto_template_list链表管理；
- instance用于管理当前模板下所有的crypto_instance；
- alloc接口用于申请算法实例；
- free用于释放算法实例；

struct crypto_alg

crypto.h - include/linux/crypto.h - Linux source code (v5.15.11) - Bootlin
crypto_alg是个基类，任何算法都可以基于它派生出衍生类；每个算法都对应着一个struct crypto_alg实例，一般在module_init中调用crypto_register_alg接口将具体的crypto_alg对象添加到crypto_alg_list链表中。
这里有一个很重要的数据成员cra_u，因为它体现了kernel crypto架构设计者的设计思想：它将四种比较常用的算法类型的处理方式抽象到基类当中，即如果你要添加的算法为这4类，就只需要实现这4类算法所对应的方法，如果不是这4类当中，就需要在基类上做派生，实现特定的crypto_type。
- cra_list：是用作链表管理
- cra_users：此算法被引用的所有crypto_spawn实例链表。
- cra_blocksize：是单个处理数据块大小
- cra_ctxsize：为transformation context大小
- cra_alignmask：指待处理数据buffer的对齐要求
- cra_priority：是当前算法优先级
- cra_refcnt：为当前算法的引用计数
- cra_name和cra_driver_name：分别指代算法名及驱动名
- cra_type：指算法类型；cra_u将四大类算法类型进行了统一。
- cra_init：是用于每次数据操作上下文前的初始化，比如在硬件加密中，会实现此接口对相关寄存器做初始化；cra_exit则与前者相反。
- cra_destroy：是用于crypto在kernel中注销的相关操作。

struct crypto_instance

algapi.h - include/crypto/algapi.h - Linux source code (v5.15.11) - Bootlin
这个结构体是代表kernel通过template动态创建的算法实例，并且会与crypto_template相关联，可以看到这里的alg并不是个指针。它是通过template->alloc()创建的，创建的同时，会将算法name初始化。
__ctx：当前只指向crypto_spawn，我个人理解可能是架构设计者考虑到未来扩展性，就将crypto_spawn与crypto_instance拆分开来了。

struct crypto_spawn

通过模板动态生成的算法实例的一部分。

list：添加到crypto_alg->cra_users链表中。
frontend：见下文。

struct crypto_type

crypto_type就是用于重载crypto_alg中的cra_u中的各个类中的成员函数，当通过crypto_alloc_base，crypto_create_tfm等接口申请相应的crypto的TFM上下文时，若有传入crypto_type参数，TFM优先使用crypto_type中的init_tfm成员函数去初始化crypto_tfm衍生类的操作方法。
- ctxsize:获取当前算法类型TFM上下文大小（crypto_tfm+crypto_tfm.__crt_ctx）
- extsize:获取当前算法类型TFM上下文大小（即crypto_tfm衍生类的大小）。
- init:一般为空（功能与init_tfm类似，通常在后者中初始化TFM）。
- init_tfm:顾名思义，初始化TFM。
- show:呈现当前算法类型的基本信息，/proc/crypto后半段信息就是从这获取的。
- free:释放crypto_instance。

struct crypto_tfm

具体算法处理(transformation)上下文的实例，里面会将此次算法上下文的key,IV等信息设置到__crt_ctx中。
crt_u：算法的operation，kernel会在__crypto_alloc_tfm接口中关联到crypto_type或xxx_alg中的实现方法。

例子讲解

通过用例介绍crypto子系统逻辑
在文件系统加密（FBE）中通过kernel crypto做密钥派生。
背景：在Android 7.0时，引入了文件加密功能，所谓文件加密，即每个文件都用不同的key对文件进行加密。
原理：密钥派生中，使用了crypto中的ecb(aes)算法通过类密钥及inode.nonce派生出每个文件的密钥。
具体实现在kernel/fs/crypto/keyinfo.c
crypto.c - fs/crypto/crypto.c - Linux source code (v5.15.11) - Bootlin

1）申请“ecb(aes)”算法的tfm上下文。这里会涉及到“算法动态注册”，即如果在crypto_alg_list链表中没有找到name为”ecb(aes)”的crypto_alg对象，那crypto子系统会通过一个名为”cryptomgr_probe”的内核线程查找到name为“ecb”的crypto_template对象，以及查找到name为”aes”的crypto_alg对象，动态创建出一个name为“ecb(aes)”的crypto_alg并注册到链表当中。

在获取到了crypto_alg后，就会申请crypto_tfm，并用crypto_alg->cra_init()或crypto_type->init_tfm()对其进行初始化（主要是当前算法的各个函数指针）。
2）在tfm上下文中申请一个数据处理请求（req）。一个tfm中，可以做多次数据加解密。这里只是申请内存，并关联到tfm的操作。
3）设置密钥到tfm->__crt_ctx中。
4）把待加密数据信息放入req当中。
5）以异步方式调用crypto_skcipher_encrypt对req做加密处理，线程在此会block一段时间，直到req请求被处理完成。因此不能在中断上下文中使用。

算法自检

出于安全性考虑，FIPS等相关标准要求在系统开机时必须做算法正确性自检，如果自检失败，则停止系统的启动；因此算法自检这部分自然也在框架中实现了。（源码位于：kernel/crypto/testmgr.c）
Kernel中的算法自检为静态自检，即给定输入参数，及正确结果，如果算法计算出来的结果与正确结果不匹配，则自检失败。
算法自检的时间点固定为每个crypto_alg注册的时候，具体流程如下图2.4所示：

Linux加密框架设计和实现

Linux加密框架设计与实现(第一部份) - 内核源码-Chinaunix

内核 crypto介绍

Linux kernel crypto的介绍_代码改变世界-CSDN博客_crypto linux

在这里插入图片描述

af_alg是linux kernel crypto算法接口

实现了底层算法的调用(skcipher、aead、hash、rng)，并且将这些接口export出去，给linux kernel其它模块使用(如tcrypt.c使用);
将这些接口注册sock_register, 用户程序通过sock通信来调用这些底层接口
在linux kernel中，仅支下四种crypto算法:
- algif_skcipher 对称加解密算法
- algif_aead 也算一种对称的加解密算法，具体介绍参见什么是AEAD加密
- algif_hash 数字摘要算法
- algif_rng 随机数产生

在这里插入图片描述

在Linux kernel的module_init阶段会将algif_type_skcipher、algif_type_aead、algif_type_hash、algif_type_rng 四种算法注册.也就是添加到af_alg维护的alg_types链表种. alg_types链表种仅有这四个数据.
在userspace通过netlink调用了，kernel种的af_alg模块收到消息后, 根据上层传来的算法种类名字来选择走哪一个结构体(alg_type_xxx)的ops函数

sendmsg/recvmsg如何调用到底层encrypt/decrypt

以skcipher为例, 在userspace调用send()和recive()函数，对应的底层调用recvmsg和sendmsg函数。先看skcipher_recvmsg()函数，接受数据然后再调用encrypt/decrypt处理数据
而skcipher_sendmsg()函数就是将处理后的数据，在发送到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);
}

算法的底层实现(以为aes/hash为例)

在linux crypto底层，实现aes/hash的算法有四种方式
（1）cpu的纯软实现，使用cpu的ALU,x0-x30等寄存器，加加减减的计算
（2）ARM-CE，就是The Armv8 Cryptographic Extension了，调用arm-ce的指令和寄存器，进行加加减减计算
（3）ARM-NEON ：调用arm neon指令（128bit的寄存器v0-v31），进行加加减减计算
（4）SOC crypto engine的实现

参考链接

Linux source code (v5.15.11) - Bootlin Linux内核在线源代码查询函数定义和使用
Linux Kernel(Android) 加密算法总结(一)（cipher、compress、digest）_万能的终端和网络-程序员宅基地 - 程序员宅基地
没有调用crypto_skcipher_encrypt回调 | 码农俱乐部 - Golang中国 - Go语言中文社区
Linux内核加密接口分析_一些笔记杂谈-CSDN博客_linux内核加密接口
Linux内核中使用crypto进行sha1方法_Rain的博客-CSDN博客
Linux内核模块开发_j5856004的博客-CSDN博客
Linux驱动开发1-内核入门之hello模块_zusi_csdn-CSDN博客_linux内核驱动开发
linux crypto_u014044624的博客-CSDN博客
Linux内核crypto子系统学习笔记_scarecrow_byr的专栏-CSDN博客_crypto驱动