一文看懂码灵半导体CFW32C7UL系列MPU产品应用（三）： 国际标准加解密算法

欢迎再次来到“码灵半导体CFW32C7UL系列产品应用介绍”连载专题。通过前几期对CFW32C7UL系列的国密算法介绍，相信大家对码灵半导体CFW32C7UL系列的国密硬件模块有了充分的了解。

由于发展历程原因，目前市场上商用密码使用仍然以国际标准加解密算法为主，不过随国家对国密算法的推进，未来国密算法的应用也会越来越广泛。码灵半导体CFW32C7UL系列的加解密模块除了之前介绍的国密密码算法以外，还支持国际标准算法的AES加解密算法和SHA-1、SHA-256哈希算法。本专题聚焦于CFW32C7UL系列所支持的国际标准加解密算法硬件模块：AES分组加解密算法和SHA哈希算法。以下我们具体介绍下CFW32C7UL系列AES和SHA模块的使用以及加解密的速度等。
一、AES分组加解密算法
AES是Advanced Encryption Standard的缩写，即高级加密标准，在密码学中又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。高级加密标准是由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。这个标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用，至2006年，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。
1、CFW32C7UL AES分组算法的实现
CFW32C7UL 系列的AES模块可完成标准AES加解密运算和AES-CM、AES-F8加密运算。标准AES算法即AES标准（FIPS-197）中规定的算法。AES-CM和AES-F8算法在The Secure Real-time Transport Protocol（SRTP）中有详细说明，这两种算法均以标准AES算法为基础，并对标准AES算法进行迭代运用。
AES模块中的标准AES算法除了支持CPU输入输出外，还支持DMA输入和DMA输出，而AES-CM、AES-F8只支持DMA输出。
2、CFW32C7UL AES分组算法的使用
开发模式一：裸机SDK
目前CFW32C7UL系列裸机SDK支持AES-CM, AES-F8，以及标准的AES加解密方式。其中AES-CM和AES-F8只支持加密，不支持解密。标准的AES方式支持加密和解密。
在CFW32C7UL系列 AES的SDK中有个关键的CIPHER_AES_Init_TypeDef结构体：
typedef struct {
uint32_t mode;
uint32_t encrypt;
uint32_t type;
uint32_t key_len;
uint32_t blk_num;
uint32_t key[8];
uint32_t key_f8_mask[8];
uint32_t *input_data;
uint32_t *output_data;
}CIPHER_AES_Init_TypeDef;
在使用AES算法之前需要初始化CIPHER_AES_Init_TypeDef结构体，初始化范例：
cipher_aes_init.encrypt = CIPHER_AES_CTRL_ENCRYPT;
cipher_aes_init.input_data = (uint32_t *)aes_in_data;
cipher_aes_init.output_data = (uint32_t *)aes_out_data;
cipher_aes_init.blk_num = 1; 加解密轮数
cipher_aes_init.key_len = CIPHER_AES_KEY_LEN_128BIT;
cipher_aes_init.key[0] = 0x21212121; 设置AES 密钥，可自定义
cipher_aes_init.key[1] = 0x43434343;
cipher_aes_init.key[2] = 0x65656565;
cipher_aes_init.key[3] = 0x87878787;
配置cipher_aes_init结构体的初始化参数后，便可以进行相对应的AES加密运算。
AES CM加密算法：
cipher_aes_init.mode = CIPHER_AES_MODE_AES_CM;
HAL_CIPHER_CM_AES(&cipher_aes_init);
AES F8加密算法：
cipher_aes_init.mode = CIPHER_AES_MODE_AES_F8;
HAL_CIPHER_F8_AES(&cipher_aes_init);
标准AES 加解密方式:
加密范例：
cipher_aes_init.encrypt = CIPHER_AES_CTRL_ENCRYPT;
cipher_aes_init.mode = CIPHER_AES_MODE_AES_STD;
HAL_CIPHER_StdAES(&cipher_aes_init);
解密范例：
cipher_aes_init.encrypt = CIPHER_AES_CTRL_DECRYPT;
cipher_aes_init.mode = CIPHER_AES_MODE_AES_STD;
HAL_CIPHER_StdAES(&cipher_aes_init);
开发模式二：Linux SDK
通过操作linux系统中/dev/wokoo_aes ，就可以进行标准AES分组加密算法的运算。
AES算法底层接口
open：打开设备节点
read：读取加密/解密后的数据
write：写入加密前/解密前的数据以及密钥和配置
接口描述：
open:
函数原型 static int uac_open(struct inode *inode, struct file * file)
参数 file:文件名
返回值 成功0，其它失败
read:
函数原型 static ssize_t uac_read(struct file * file, char __user *buffer, size_t size , loff_t *p)
参数 file:文件名，buffer：读出数据缓存,size:读出数据长度
返回值 成功0，其它失败
write:
函数原型 static ssize_t uac_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
参数 file:文件名，buf：写入数据缓存,count:写入数据长度
返回值 成功0，其它失败
使用示例：
fd = open("/dev/wokoo_aes", O_RDWR); 打开aes节点
write(fd, &wokoo_aes, sizeof(struct wokoo_aes_t)); 写入明文/密文，密钥等配置
read(fd, wokoo_aes.output_data, sizeof(wokoo_aes.output_data)); 读出密文/明文
注：这里的write写入的wokoo_aes结构体，如同在裸机中使用一样，会在调用前初始化一些参数，通过write把密钥和模式配置写入。
3、CFW32C7UL AES算法的效率：
目前码灵半导体CFW32C7UL系的可以实现标准AES加密速率是85KB/s。
二、SHA哈希算法模块
1、CFW32C7UL SHA哈希算法的实现
CFW32C7UL系列的SHA哈希算法支持SHA-1以及SHA-256。SHA1是SHA的较旧版本，可生成160位哈希值，而SHA256是SHA2的一种类型，可生成256位哈希值。
CFW32C7UL系列的SHA模块支持DMA输入和CPU输入，输出仅支持CPU输出。

2、CFW32C7UL SHA算法的使用
开发模式一：裸机SDK
目前裸机开发支持SHA-1以及SHA-256两种哈希算法SDK，两种算法分别有CPU输入和DMA输入的方式。
在CFW32C7UL系列 SHA的SDK中有个关键的CIPHER_SHA_Init_TypeDef结构体，结构体定义如下：
typedef struct {
uint32_t mod;
uint32_t line_num;
uint32_t *input_data;
uint32_t *output_data;
}CIPHER_SHA_Init_TypeDef;
使用SHA SDK之前，需初始化这个结构体。包括设置数据量和设置数据的输入输出流。
cipher_sha_init.line_num = 0x01; 设置SHA的数据输入轮数为1
cipher_sha_init.input_data = (uint32_t *)sha_in_data; 设置SHA 输入流
cipher_sha_init.output_data = (uint32_t *)sha_out_data; 设置SHA输出流
配置完cipher_sha_init结构体的初始化参数后，便可以进行相对应的SHA哈希运算。
调用HAL_CIPHER_SHA_DMA()进行DMA输入方式SHA哈希运算。
cipher_sha_init.mod = CIPHER_SHA_MOD_SHA1; 配置SHA-1算法
HAL_CIPHER_SHA_DMA(&cipher_sha_init); 启动SHA-1算法 (DMA Input)
cipher_sha_init.mod = CIPHER_SHA_MOD_SHA256; 配置SHA-256算法
HAL_CIPHER_SHA_DMA(&cipher_sha_init); 启动SHA-256算法 (DMA Input)
调用HAL_CIPHER_SHA_CPU ()进行 CPU输入方式SHA哈希运算。
cipher_sha_init.mod = CIPHER_SHA_MOD_SHA1; 配置SHA-1算法
HAL_CIPHER_SHA_CPU (&cipher_sha_init); 启动SHA-1算法（CPU Input）
cipher_sha_init.mod = CIPHER_SHA_MOD_SHA256; 配置SHA-256算法
HAL_CIPHER_SHA_CPU (&cipher_sha_init); 启动SHA-256算法（CPU Input）
开发模式二：Linux SDK
通过操作linux系统中/dev/wokoo_sha ，便可以进行SHA算法的运算。
SHA算法底层接口
open：打开设备节点
read：读取哈希后的数据
write：写入哈希的数据以及配置模式
接口描述
open:
函数原型 static int uac_open(struct inode *inode, struct file * file)
参数 file:文件名
返回值 成功0，其它失败
read:
函数原型 static ssize_t uac_read(struct file * file, char __user *buffer, size_t size , loff_t *p)
参数 file:文件名，buffer：读出数据缓存,size:读出数据长度
返回值 成功0，其它失败
write:
函数原型 static ssize_t uac_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
参数 file:文件名，buf：写入数据缓存,count:写入数据长度
返回值 成功0，其它失败
使用范例：
fd = open("/dev/wokoo_sha", O_RDWR); 打开sha节点
write(fd, &wokoo_sha, sizeof(struct wokoo_sha_t)); 写入需要哈希的数据
read(fd, wokoo_sha.output_data, sizeof(wokoo_sha.output_data)); 读出哈希后的数据
类似地，LINUX在初始化wokoo_sha结构体时会根据给定参数选择不同的算法，输入数据轮数和输入方式，根据不同的参数计算不同的结果。如下示例：
wokoo_sha.bit_mod = CIPHER_SHA_MOD_SHA256; 选择SHA-256方式
wokoo_sha.data_mod = CIPHER_SHA_TYPE_DMA; 选择DMA输入方式
wokoo_sha.line_num = 1; 设置数据输入轮数为1

3、CFW32C7UL SHA算法的效率
目前码灵半导体CFW32C7UL系列SHA-1以及SHA-256的加密速率可以实现87KB/s。
通过这几期对码灵半导体CFW32C7UL系列的国密及国际标准加解密算法的介绍，相信大家对CFW32C7UL系列的加解密模块有一个相对全面的了解。国密算法与国际标准加解密算法的对标关系是：国密算法的SM4和国际标准加解密算法AES对标，国密算法的SM3算法与国际标准加解密算法MD5、SHA-256等哈希算法对标，国密算法的SM2算法与国际标准加解密算法RSA、ECC算法对标。其实CFW32C7UL系列在芯片安全机制方面，除了加解密模块外还有其它的安全特性和功能配置，那它们具体都是什么呢？又有什么特点呢？让我们带着这些问题，在下期中继续探寻吧。