[原]替换OpenSSL Engine为硬件加密卡之替换EVP_CIPHER结构

定义:
    static const EVP_CIPHER FMC_ENG_evp_cipher=
    {
        NID_aes_128_cbc,                /*nid*/
        16,                                /*block_size*/
        16,                                /*key_len*/
        16,                                /*iv_len*/
        EVP_CIPH_CBC_MODE,                /*Various flags*/
        FMC_ENG_evp_cipher_init,        /*init*/
        FMC_ENG_evp_cipher_do_cipher,    /*do_cipher*/
        FMC_ENG_evp_cipher_cleanup,        /*cleanup*/
        sizeof(AES_KEY) + 16,            /*ctx_size*/
        NULL,                            /*set_asn1_parameters*/
        NULL,                            /*get_asn1_parameters*/
        NULL,                            /*Miscellaneous operations*/
        NULL                            /*app_data*/
    };
    首先解释:
    NID_aes_128_cbc 为算法NID, 在bind engine时, 有调用:
    ret = ENGINE_set_ciphers(e, FMC_ENG_ciphers);
    // 参见: crypto\engine\eng_cryptodev.c  line:608
    static int

    FMC_ENG_ciphers(ENGINE *e, const EVP_CIPHER **cipher, const int **nids, int nid)
    {   
        if(cipher == NULL) // yes, refer to get_cryptodev_ciphers
        {
            *nids = FMC_ENG_cipher_nids;
            return (sizeof(FMC_ENG_cipher_nids)-1)/sizeof(FMC_ENG_cipher_nids[0]);
        }

        switch (nid)
        {
        case NID_aes_128_cbc:
            *cipher = FMC_ENG_get_evp_cipher();
            break;           
        default:           
            *cipher = NULL;
            break;
        }
        return (*cipher != NULL);
    }
    const EVP_CIPHER *FMC_ENG_get_evp_cipher(void)
    {   
        return(&FMC_ENG_evp_cipher);
    }
    在调用EVP_CIPHER* ciphter = (EVP_CIPHER *)(EVP_aes_128_cbc());
    时, FMC_ENG_ciphers函数会被调用, 就在此时, 返回我们自己定义的EVP_CIPHER
    结构.
   
    EVP测试代码调用过程如下:
   
    ciph_ctx = EVP_CIPHER_CTX_new();
    _ASSERT(ciph_ctx != NULL);
    //EVP_CIPHER_CTX_init(ciph_ctx); // new后会自动调用init - memset(0)
   
    ret = EVP_EncryptInit_ex(ciph_ctx, cipher, engine, aes_key, aes_iv);
    if (ret != 1) {       
        return -1;
    }
    ret = EVP_EncryptUpdate(ciph_ctx, aes_out, &upd_outlen, pin, pin_len);
    if (ret != 1) {       
        return -2;
    }
    ret = EVP_EncryptFinal(ciph_ctx, aes_out + upd_outlen, &upd_outlen);
    if (ret != 1) {       
        return -3;
    }
   
    EVP_CIPHER_CTX_free(ciph_ctx);
   
   
    EVP_EncryptInit_ex会调用到FMC_ENG_evp_cipher_init
    EVP_EncryptUpdate和EVP_EncryptFinal会调用到FMC_ENG_evp_cipher_do_cipher
    EVP_CIPHER_CTX_free会调用到EVP_CIPHER_CTX_cleanup->FMC_ENG_evp_cipher_cleanup
   
    中间遇到几个问题:
    1 Update不能如此调用:
    while(pin_len > 0) {

        ret = EVP_EncryptUpdate(&ciph_ctx, aes_out + aes_etotal, &upd_outlen, pin, pin_len);
        if (ret != 1) {   
            break;
        } else {
            // yes, correct encypt next block
        }       
       
        aes_etotal += upd_outlen;

        // 后面的属于画蛇添足
        _ASSERT(aes_etotal <= aes_outlen);

        if(upd_outlen == 0) { // all block_size aligned block completed.                                   
            break;
        }

        if(upd_outlen >= pin_len) {
            pin_len = 0;           
            break;    // all encryptupdate completed
        } else {           
            pin_len -= upd_outlen;
            pin += upd_outlen;   
        }       
    }
   
    如果这样, 测试时, plaintext数据长度为0x33, 第一次update后, 返回已加密
    长度为0x30, 接着调update, 就有3个字节被放到了ctx->buf中, 返回的update
    长度为0.
    然后调用Final函数, 如此:
    ret = EVP_EncryptFinal(&ciph_ctx, aes_out + aes_etotal, &upd_outlen);
    这样, 又有3个字节会被加入到ctx->buf中, 最后被拷贝到ctx->final buffer
    中, 执行padding方案后, 被加密, 整个加密的长度变成了0x36.
   
    因为测试时, 用硬件Engine和Openssl只带Engine的方式一样, 所以加密出来的
    数据一样, 通过检测. 但解密后数据长度为0x36个字节, 晕菜. 被自己摆了一道.
   
    2 ctx_size
    开始时搞不明白FMC_ENG_evp_cipher::ctx_size是用来干什么的,    后来搞明白了.
    其实这里不用像openssl那样定义, openssl是在EncryptInit是, 按照这个大小,
    分配了一个AES_KEY+x个字节的memory, 用来存放EncryptInit是用用户输入的
    key产生一个aes key(包含n个roundtable,roundtable用来在aes加密是进行置换,
    aes的核心就是置换和移位). 我们的硬件引擎之需要分配ctx->cipher->key_size
    个大小的内存, memcpy key到里面即可, 在do_cipher时, key就从里面取出.
    忘记写了, 分配的内存地址赋值给ctx->cipher_data指针.
   
    3 padding
    在想如何替换Engine时, 主要围绕硬件加密卡提供的API进行考虑, 首先想到的
    就是padding方案. 因为硬件加密卡要求输入的数据必须是按照block_size对齐的
    openssl的evp函数是否会自动进行padding呢? 答案是 - yes.
   
    如: 在输入数据为0x33长度是, update加密, 先加密前面0x30个, 执行final时
    会执行padding方案, 此时ctx->final_used标识会被置1. 调用do_cipher时,
    传入的数据已经是按照block_size对齐的了.
   
    OpenSSL的Padding方案:
    差几个对齐, payload后面就填几, 如果对齐了, 就加一个完整的block.
    所以, 加密出来的数据, 可能会比输入数据多一个block, 在分配ciphertext的
    buffer时, 需要注意.
   
    4 编译优化
    为了看openssl的padding方案, 跟到openssl的代码中去, 发现老是符号与代码
    不匹配, 还以为自己不小心动到了openssl的代码, 反复几次重新编译openssl
    均不能解决问题. 百思不得其解, 后trace到汇编里面, 发现在指定padding方案
    时, for(n=bl; n<b; n++) out[n] = n; 被优化成memset(out+n, n, b-n);
    原来是openssl的编译mak文件中, 指定了Ox优化编译选项, 将该选项改为Od,
    重新编译, OK.