一文看懂碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列產(chǎn)品應(yīng)用（二）：國密算法●下篇

歡迎再次來到“碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列產(chǎn)品應(yīng)用介紹”連載專題。通過上期對(duì)CFW32C7UL系列國密算法SM3和真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器TRNG的介紹，相信您對(duì)CFW32C7UL系列國密硬件模塊有了更進(jìn)一步的了解。今天我們繼續(xù)介紹CFW32C7UL系列另外兩個(gè)非常重要的加解密算法：分組加密算法SM4和非對(duì)稱加密算法SM2。那么SM2和SM4國密模塊又是如何使用的？它們加解密的速度如何呢？帶著這些問題，今天我們?cè)敿?xì)介紹下CFW32C7UL系列的SM2和SM4模塊及其具體使用方法。

一、SM4分組算法模塊

SM4屬于對(duì)稱加密算法，由國家密碼管理局于2012年3月21日發(fā)布的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的分組數(shù)據(jù)算法。顧名思義，對(duì)稱加密(也叫私鑰加密)指加密和解密使用相同密鑰的加密算法。對(duì)這兩個(gè)操作使用單個(gè)KEY使其成為一個(gè)簡(jiǎn)單的過程，因此稱為“對(duì)稱”。對(duì)稱加密算法的特點(diǎn)是算法公開、計(jì)算量小、加密速度快、加密效率高。與非對(duì)稱加密算法相比，對(duì)稱加密的速度要快得多，需要的計(jì)算能力更少，在互聯(lián)網(wǎng)中不需降低互聯(lián)網(wǎng)速度。意味著，當(dāng)加密的數(shù)據(jù)量很大時(shí)，對(duì)稱加密是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。另外同類的對(duì)稱加密方法還有AES，RC4，DES，3DES，RC5，RC6等。

SM4算法是一個(gè)分組算法，該算法的分組長(zhǎng)度為128比特，密鑰長(zhǎng)度為128比特。加密算法與密鑰擴(kuò)展算法都采用32輪非線性迭代結(jié)構(gòu)。解密算法與加密算法的結(jié)構(gòu)相同，只是輪密鑰的使用順序相反，解密輪密鑰是加密輪密鑰的逆序。在碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列中SM4算法是通過硬件方式實(shí)現(xiàn)的。

下面我們具體介紹下CFW32C7UL 系列SM4算法的使用方法。

開發(fā)模式一：裸機(jī)SDK

SM4 算法流程圖

① 設(shè)置SM4密鑰接口

void SM4_SetKey(uint32_t *keyin, uint32_t *ivin, uint32_t mode, uint8_t swap_en,uint8_t mask_en)

函數(shù)參數(shù)

 keyin：128bit密鑰指針

 Ivin ：CBC工作模式時(shí)的初始向量(使用CBC模式需要配置)

 mode ：SM4模式選擇

  swap_en ：SWAP模式使能, 即大小端配置

 mask_en ：隨機(jī)掩碼使能

使用范例

SM4_SetKey(key1,iv1_null,SM4_ECB_MODE,SM4_SWAP_DISABLE,SM4_MASK_DISABLE);

使用ECB模式，不使能SWAP模式，不使能隨機(jī)掩碼，key1為密鑰，iv1_null 為空

② 加解密接口

void SM4_DRV_CPU(uint32_t *datain, uint32_t *dataout, uint32_t length, uint8_t enc, uint8_t vsm4_en)

函數(shù)參數(shù):

 Datain: 數(shù)據(jù)輸入指針

Dataout:數(shù)據(jù)輸出指針

 Length :數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（length  =  bit長(zhǎng)度 128）

 Enc: 加密/解密模式

  vsm4_en: 偽SM4運(yùn)算使能

使用范例

加密過程：

SM4_DRV_CPU (plain, result, 1, SM4_ENCRYPTION, SM4_VSM4_DISABLE);

明文為plain，輸出的密文為result, 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為128bit  ，加密模式，不使能偽sm4運(yùn)算

解密過程:

SM4_DRV_CPU (result, decryp, 1, SM4_DECRYPTION,SM4_VSM4_DISABLE);

輸入密文為result，輸出的明文為decryp, 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為128bit，解密模式，不使能偽sm4運(yùn)算

開發(fā)模式二：Linux SDK

通過操作linux系統(tǒng)中/dev/wokoo_sm4 ，就可以進(jìn)行SM4分組加解密算法的運(yùn)算。

① SM4算法底層接口

open：打開設(shè)備節(jié)點(diǎn)

read：讀取加解密后的數(shù)據(jù)

write：寫入key數(shù)據(jù)和需要加解密的數(shù)據(jù)

ioctl：?jiǎn)?dòng)加解密操作

② 接口描述

open:

函數(shù)原型：static int uac_open(struct inode *inode, struct file * file)

參數(shù)：file:文件名

返回值：成功0，其它失敗

read:

函數(shù)原型：static ssize_t uac_read(struct file * file, char __user *buffer, size_t size , loff_t *p)

參數(shù)：file:文件名，buffer：讀出數(shù)據(jù)緩存,size:讀出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

返回值：成功0，其它失敗

write:

函數(shù)原型：static ssize_t uac_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)

參數(shù)：file:文件名，buf：寫入數(shù)據(jù)緩存,count:寫入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

返回值：成功0，其它失敗

ioctl:

函數(shù)原型：static long uac_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)

參數(shù)：file:文件名，cmd：控制參數(shù)，arg：其它參數(shù)

返回值：成功0，其它失敗

③ 使用示例

fd = open("/dev/wokoo_sm4", O_RDWR);                                              打開sm4節(jié)點(diǎn)

write(fd, &sm4_data, sizeof(struct sm4_data_t));                           寫入明文/密文

ioctl(fd, SM4_DIR_ENCRYPT/ SM4_DIR_DECRYPT, NULL);           選擇加密/解密

read(fd, sm4_data.dataout, sizeof(sm4_data.dataout));            讀出加密/解密的結(jié)果

CFW32C7UL系列 SM4算法的效率

我們通過輸入128KB明文數(shù)據(jù)，執(zhí)行加解密運(yùn)算后輸出加解密運(yùn)算結(jié)果，并記錄下含接口數(shù)據(jù)傳輸?shù)男酒ぷ鲿r(shí)長(zhǎng)，得到CFW32C7UL系列 SM4算法的效率。

SM4接口加密運(yùn)算(ECB模式)

SM4接口解密運(yùn)算(ECB模式)

可以看到，碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列的SM4算法效率可以達(dá)到64Mbps。

二、SM2公鑰算法模塊

SM2屬于非對(duì)稱加密算法，是國家密碼管理局于2010年12月17日發(fā)布的橢圓曲線公鑰密碼算法。與對(duì)稱加密方法相反，非對(duì)稱加密涉及多個(gè)密鑰，用于數(shù)據(jù)的加密和解密，是在數(shù)學(xué)上彼此相關(guān)的兩個(gè)不同的加密密鑰，即：公開密鑰（簡(jiǎn)稱公鑰）和私有密鑰（簡(jiǎn)稱私鑰）。公鑰與私鑰是一對(duì)，如果用公鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，只有用對(duì)應(yīng)的私鑰才能解密。非對(duì)稱加密與與對(duì)稱加密相比，在加密和解密花費(fèi)的時(shí)間更長(zhǎng)、速度相對(duì)較慢，比較適合對(duì)少量數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用場(chǎng)景。

         SM2算法是基于ECC橢圓曲線算法，CFW32C7UL系列支持硬件PKI，ECC，DIV大數(shù)運(yùn)算，同時(shí)SM2算法是通過軟件與硬件相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，是一種安全性極高和效率極高的公鑰算法。同類算法如：RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC等。

下面我們具體介紹下CFW32C7UL系列 SM2算法的具體使用方法。

開發(fā)模式一：裸機(jī)SDK

① 產(chǎn)生密鑰對(duì)函數(shù)

GM_GenSM2keypair(uint32_t prikey[],uint32_t *Q_X,uint32_t *Q_Y)

函數(shù)參數(shù):

prikey: SM2私鑰數(shù)據(jù)

Q_X  :公鑰 X坐標(biāo)

Q_Y  :公鑰 Y坐標(biāo)

使用范例

GM_GenSM2keypair(prikey,public_keyX,public_keyY);

生成并獲取私鑰prikey，公鑰（public_keyX，public_keyY）

② SM2加密函數(shù)

GM_SM2Encrypt(uint32_t *encrydata,  uint32_t *endatalen,uint32_t *plain, uint32_t plainlen, uint32_t *pub_X,uint32_t *pub_Y)

函數(shù)參數(shù)

 encrydata：密文數(shù)據(jù)

endatalen：密文長(zhǎng)度

plain：明文數(shù)據(jù)

plainlen：明文長(zhǎng)度

pub_X：公鑰坐標(biāo)X

pub_Y：公鑰坐標(biāo)Y

使用范例

GM_SM2Encrypt(&endata[0],&endataLen,plain,plainlen,public_keyX,public_keyY)

使用公鑰public_key 加密明文plain，輸出密文endata。

③ SM2解密函數(shù)

GM_SM2Decrypt(uint32_t *DecDate, uint32_t DecDatelen,uint32_t *input , uint32_t inlen,uint32_t *pri_key )

函數(shù)參數(shù)

 DecDate： 解密出來的明文數(shù)據(jù)

DecDatelen： 解密出來的明文長(zhǎng)度

input： 輸入的密文

inlen： 輸入的密文長(zhǎng)度

pri_key        ： 私鑰數(shù)據(jù)

使用范例

 GM_SM2Decrypt(&dedata[0], plainlen, endata, endataLen, prikey);

使用私鑰 pricey 解密密文endata 輸出明文 dedata。

開發(fā)模式二：Linux SDK

         通過操作linux系統(tǒng)中/dev/wokoo_sm2 ，可以進(jìn)行SM2加解密算法的運(yùn)算。

① SM2算法底層接口

open：打開設(shè)備節(jié)點(diǎn)

read：讀取加解密后的數(shù)據(jù)或私鑰和公鑰對(duì)

write：寫入明文數(shù)據(jù)

ioctl：設(shè)置是加密還是解密操作

② 接口描述

open:

函數(shù)原型：static int uac_open(struct inode *inode, struct file * file)

參數(shù)：file:文件名

返回值：成功0，其它失敗

   read:

函數(shù)原型：static ssize_t uac_read(struct file * file, char __user *buffer, size_t size , loff_t *p)

參數(shù)：file:文件名，buffer：讀出數(shù)據(jù)緩存,size:讀出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

返回值：成功0，其它失敗

write:

函數(shù)原型：static ssize_t uac_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)

參數(shù)：file:文件名，buf：寫入數(shù)據(jù)緩存,count:寫入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

返回值：成功0，其它失敗

ioctl:

函數(shù)原型：static long uac_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)

參數(shù)：file:文件名，cmd：控制參數(shù)，arg：其它參數(shù)

返回值：成功0，其它失敗

③ 使用示例

sm2_fd = open("/dev/wokoo_sm2", O_RDWR);               打開sm2節(jié)點(diǎn)

ioctl(sm2_fd, SM2_DIR_KEY, NULL);                                設(shè)置讀取私鑰和公鑰對(duì)

read(sm2_fd, &sm2_data.prikey, sizeof(sm2_data.prikey) + sizeof(sm2_data.public_keyX) + sizeof(sm2_data.public_keyY));讀取私鑰和公鑰

write(sm2_fd, &sm2_data.plain, sizeof(sm2_data.plain)); 寫入明文/密文

ioctl(sm2_fd, SM2_DIR_ENCRYPT/ SM2_DIR_DECRYPT, NULL);    選擇加密/解密

read(sm2_fd, &sm2_data.en_data, 256);                  讀取解密/解密結(jié)果

         CFW32C7UL 系列SM2算法的效率

三、加密算法的選擇

由于非對(duì)稱加密算法的運(yùn)行速度比對(duì)稱加密算法的速度慢很多，當(dāng)需要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密時(shí)，建議采用對(duì)稱加密算法，以提高加解密速度。對(duì)稱加密算法的密鑰管理是一個(gè)復(fù)雜的過程，密鑰的管理直接決定著他的安全性，因此當(dāng)數(shù)據(jù)量很小時(shí)，我們可以考慮采用非對(duì)稱加密算法。

因?qū)ΨQ加密算法不能實(shí)現(xiàn)簽名，因此簽名時(shí)使用非對(duì)稱算法。在實(shí)際的操作過程中，我們通常采用的方式是：采用非對(duì)稱加密算法管理對(duì)稱算法的密鑰，然后用對(duì)稱加密算法加密數(shù)據(jù)，這樣我們就集成了兩類加密算法的優(yōu)點(diǎn)，既實(shí)現(xiàn)了加密速度快的優(yōu)點(diǎn)，又實(shí)現(xiàn)了安全方便管理密鑰的優(yōu)點(diǎn)。

通過以上對(duì)CFW32C7UL系列 SM2和SM4算法模塊的介紹，相信您對(duì)國密模塊的使用有更深入的了解。碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列除了支持國密算法外，同樣也支持國際常見的通用加解密算法，如AES和SHA算法，這部分算法也是通過硬件實(shí)現(xiàn)。那么它們?cè)贑FW32C7UL系列中是如何具體使用呢？讓我們帶著這些問題，在下期中去探尋吧。

本期作者：劉悅臻、梁夢(mèng)雷、陳紹景、謝耀華、謝劍杰