Linux Crypto(7)：skcipher以及cbc(aes)组合算法

skcipher 是一种算法类型，为对称密钥加密。它使用相同的密钥（或一组关联的密钥）对数据进行加密和解密。skcipher API 设计用于处理任意长度的数据流（可能不是块大小的整数倍），通常通过链接模式（如 CBC, CTR, XTS, CFB, OFB）来实现。这与处理固定大小块的 cipher 类型不同。

1 skcipher说明

层级： skcipher 的概念和 API 主要在核心框架层定义 (crypto/skcipher.c, include/crypto/skcipher.h)。
使用： 用户空间（通过 AF_ALG）和内核其他子系统（如 IPsec, DM-Crypt, FScrypt）通过核心框架提供的 skcipher API (crypto_alloc_skcipher, crypto_skcipher_encrypt/decrypt) 发起请求。
实现： 具体的 skcipher 算法（如 cbc(aes), xts(serpent), ecb(arc4)）在算法实现层提供（软件模块如 cbc.c, aes_generic.c；硬件驱动如 aesni-intel.ko）。
抽象硬件和软件实现： 核心框架通过 skcipher API 向使用者隐藏了底层算法是软件实现还是硬件加速的细节。使用者只需关心接口。
管理算法实例和请求： 提供分配算法实例 (crypto_alloc_skcipher)、设置密钥 (crypto_skcipher_setkey)、创建和提交加密/解密请求 (skcipher_request_alloc, crypto_skcipher_encrypt/decrypt) 的机制。
支持异步操作： API 设计为异步的，允许加密操作在后台执行（可能在软中断或工作队列中，或由硬件异步完成），操作完成后通过回调函数通知调用者。这对高性能场景（如网络数据包处理）至关重要。

2 skcipher数据结构

struct crypto_cipher通过 crypto_alloc_skcipher() 创建，表示带密钥的实例 。

struct crypto_skcipher; -- 不透明结构体，表示对称密钥加密实例的句柄。包含算法实现、密钥、上下文等状态信息。

struct skcipher_alg描述对称密钥加密算法的实现，需通过 crypto_register_skcipher() 注册到内核

struct skcipher_alg {
    int (*setkey)(struct crypto_skcipher *tfm, const u8 *key, unsigned int keylen); -- 设置密钥的回调函数
    int (*encrypt)(struct skcipher_request *req); -- 执行加密操作的回调
    int (*decrypt)(struct skcipher_request *req); -- 执行解密操作的回调
    int (*init)(struct crypto_skcipher *tfm); -- 初始化算法实例
    void (*exit)(struct crypto_skcipher *tfm); -- 清理算法实例
    unsigned int ivsize; -- 初始化向量(IV)大小
    unsigned int chunksize; -- 块处理粒度
    unsigned int walksize; -- 分块处理时的步进大小
    struct crypto_alg base; -- 嵌入的基础算法结构
};

struct skcipher_request封装单次加密/解密操作的请求，包含所有运行时参数。

struct skcipher_request {
    struct scatterlist *src; -- 输入数据的分散/聚集列表
    struct scatterlist *dst; -- 输出数据的分散/聚集列表
    unsigned int cryptlen; -- 待处理数据长度
    void *iv; -- 初始化向量指针
    void *__ctx[] CRYPTO_MINALIGN_ATTR; -- 底层实现的私有上下文存储区
};

3 skcipher API

struct crypto_skcipher *crypto_alloc_skcipher(const char *alg_name, u32 type, u32 mask); -- 
分配算法实例。alg_name: 算法名(如"cbc(aes)"), type: 算法类型(CRYPTO_ALG_TYPE_SKCIPHER), mask: 位掩码

void crypto_free_skcipher(struct crypto_skcipher *tfm); -- 
释放算法实例。tfm: 由 crypto_alloc_skcipher() 分配的实例

int crypto_skcipher_setkey(struct crypto_skcipher *tfm, const u8 *key, unsigned int keylen); -- 
设置密钥。tfm: 算法实例, key: 密钥指针, keylen: 密钥长度(字节)。返回0成功，负数错误码

int crypto_skcipher_encrypt(struct skcipher_request *req); -- 
提交异步加密请求。req: 预配置的请求对象。返回0/-EINPROGRESS表示已提交，负数错误码

int crypto_skcipher_decrypt(struct skcipher_request *req); -- 
提交异步解密请求。参数和返回同encrypt

struct skcipher_request *skcipher_request_alloc(struct crypto_skcipher *tfm, gfp_t gfp); -- 
分配请求对象。tfm: 关联的算法实例, gfp: 内存分配标志

void skcipher_request_free(struct skcipher_request *req); -- 
释放请求对象。req: 由skcipher_request_alloc分配的请求

void skcipher_request_set_callback(struct skcipher_request *req, u32 flags, crypto_completion_t compl, void *data); -- 
设置异步回调。req: 请求对象, flags: 标志位(如CRYPTO_TFM_REQ_MAY_BACKLOG), compl: 完成回调函数, data: 回调参数

void skcipher_request_set_crypt(struct skcipher_request *req, struct scatterlist *src, struct scatterlist *dst, unsigned int cryptlen, void *iv); -- 
配置加密参数。req: 请求对象, src: 输入分散列表, dst: 输出分散列表, cryptlen: 数据长度, iv: 初始化向量

4 skcipher cbc(aes)组合加解密算法

aes_init注册了一个通用aes算法到核心框架。

aes_init
　　->crypto_register_alg--注册aes_alg到核心框架层。

aes通用算法结构体实现如下：

static struct crypto_alg aes_alg = {
        .cra_name               =       "aes",
        .cra_driver_name        =       "aes-generic",
        .cra_priority           =       100,
        .cra_flags              =       CRYPTO_ALG_TYPE_CIPHER,
        .cra_blocksize          =       AES_BLOCK_SIZE,
        .cra_ctxsize            =       sizeof(struct crypto_aes_ctx),
        .cra_module             =       THIS_MODULE,
        .cra_u                  =       {
                .cipher = {
                        .cia_min_keysize        =       AES_MIN_KEY_SIZE,--最小秘钥长度。
                        .cia_max_keysize        =       AES_MAX_KEY_SIZE,--最大密钥长度。
                        .cia_setkey             =       crypto_aes_set_key,--设置秘钥。
                        .cia_encrypt            =       crypto_aes_encrypt,--加密操作。
                        .cia_decrypt            =       crypto_aes_decrypt--解密操作。
                }
        }
};

crypto_cbc_module_init注册一个crypto_cbc_tmpl模版：

• aes_alg实现原始的 AES 块加密（ECB 模式）。

• crypto_cbc_tmpl（CBC 模式）包裹 aes_alg（AES 块加密），形成完整的 cbc(aes) 算法。

• cbc(aes)是组合算法，通过模板组合生成的完整 CBC-AES 算法。

crypto_cbc_module_init
　　->crypto_register_template--注册crypto_cbc_tmpl模版。
　　　　->crypto_cbc_create
　　　　　　->skcipher_alloc_instance_simple
　　　　　　->skcipher_ialg_simple
　　　　　　->初始化encrypt和decrypt函数。
　　　　　　　　->crypto_cbc_encrypt
　　　　　　　　->crypto_cbc_decrypt
　　　　　　->skcipher_register_instance