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Linux加密框架设计与实现(转)
一、        前言

Linux加密框架是内核安全子系统的重要组成部份，同时，它又一个的独立子系统形式出现，从它出现在内核根目录下的crypto/就可以看出其地位了。
Crypto实现较为复杂，其主要体现在其OOP的设计思路和高度的对像抽像与封装模型，作者展现了其出色的架构设计水准和面向对像的抽像能力。本文力图从加密框架的重要应用，即IPSec(xfrm)的两个重要协议AH和ESP对加密框架的使用，展现其设计与实现。
内核版本：2.6.31.13

二、        算法模版
1.        模版的基本概念
算法模版是加密框架的第一个重要概念。内核中有很多算法是动态生成的，例如cbc(des)算法。内核并不存在这样的算法，它事实上是cbc和des的组合，但是内核加密框架从统一抽像管理的角度。将cbc(des)看做一个算法，在实际使用时动态分配并向内核注册该算法。这样，可以将cbc抽像为一个模版，它可以同任意的加密算法进行组合。算法模版使用结构crypto_template来描述，其结构原型：


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  1. struct crypto_template {
  2.         struct list_head list; //模版链表成员，用于注册
  3.         struct hlist_head instances; //算法实例链表首部
  4.         struct module *module; //模块指针
  6.         struct crypto_instance *(*alloc)(struct rtattr **tb); //算法实例分配
  7.         void (*free)(struct crypto_instance *inst); //算法实例释放
  9.         char name[CRYPTO_MAX_ALG_NAME]; //模版名称
  10. };
例如，一个名为cbc的算法模版，可以用它来动态分配cbc(des),cbc(twofish)……诸如此类。

crypto/algapi.c下包含了模版的一些常用操作。最为常见的就是模版的注册与注销，其实质是对以crypto_template_list为首的链表的操作过程：

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  1. static LIST_HEAD(crypto_template_list);
  3. int crypto_register_template(struct crypto_template *tmpl)
  4. {
  5.         struct crypto_template *q;
  6.         int err = -EEXIST;
  8.         down_write(&crypto_alg_sem);
  10.         //遍历crypto_template_list，看当前模板是否被注册
  11.         list_for_each_entry(q, &crypto_template_list, list) {
  12.                 if (q == tmpl)
  13.                         goto out;
  14.         }
  16.         //注册之
  17.         list_add(&tmpl->list, &crypto_template_list);
  18.         //事件通告
  19.         crypto_notify(CRYPTO_MSG_TMPL_REGISTER, tmpl);
  20.         err = 0;
  21. out:
  22.         up_write(&crypto_alg_sem);
  23.         return err;
  24. }
  25. EXPORT_SYMBOL_GPL(crypto_register_template);
注销算法模版，除了模版本身，还有一个重要的内容是处理算法模版产生的算法实例，关于算法实例，后文详述。

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  1. void crypto_unregister_template(struct crypto_template *tmpl)
  2. {
  3.         struct crypto_instance *inst;
  4.         struct hlist_node *p, *n;
  5.         struct hlist_head *list;
  6.         LIST_HEAD(users);
  8.         down_write(&crypto_alg_sem);
  10.         BUG_ON(list_empty(&tmpl->list));
  11.         //注销算法模版，并重新初始化模版的list成员
  12.         list_del_init(&tmpl->list);
  14.         //首先移除模版上的所有算法实例
  15.         list = &tmpl->instances;
  16.         hlist_for_each_entry(inst, p, list, list) {
  17.                 int err = crypto_remove_alg(&inst->alg, &users);
  18.                 BUG_ON(err);
  19.         }
  21.         crypto_notify(CRYPTO_MSG_TMPL_UNREGISTER, tmpl);
  23.         up_write(&crypto_alg_sem);
  24.         
  25.         //释放模版的所有算法实例分配的内存
  26.         hlist_for_each_entry_safe(inst, p, n, list, list) {
  27.                 BUG_ON(atomic_read(&inst->alg.cra_refcnt) != 1);
  28.                 tmpl->free(inst);
  29.         }
  30.         crypto_remove_final(&users);
  31. }
  32. EXPORT_SYMBOL_GPL(crypto_unregister_template);
2.        算法模版的查找

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  1. crypto_lookup_template函数根据名称，查找相应的模版：
  3. struct crypto_template *crypto_lookup_template(const char *name)
  4. {
  5.         return try_then_request_module(__crypto_lookup_template(name), name);
  6. }
__crypto_lookup_template完成实质的模版模找工作，而try_then_request_module则尝试动态插入相应的内核模块，如果需要的话：

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  1. static struct crypto_template *__crypto_lookup_template(const char *name)
  2. {
  3.         struct crypto_template *q, *tmpl = NULL;
  5.         down_read(&crypto_alg_sem);
  6.         //遍历crypto_template_list链，匹备模版名称
  7.         list_for_each_entry(q, &crypto_template_list, list) {
  8.                 if (strcmp(q->name, name))
  9.                         continue;
  10.                 //查找命中，需要对其增加引用，以防止其正在使用时，模块被卸载。完成该操作后返回查找到的模版
  11.                 if (unlikely(!crypto_tmpl_get(q)))
  12.                         continue;
  14.                 tmpl = q;
  15.                 break;
  16.         }
  17.         up_read(&crypto_alg_sem);
  19.         return tmpl;
  20. }
3.        模版的算法实例分配时机
模版可以看做一个静态的概念，其只有被动态创建后才具有生命力，本文将模版通过alloc分配创建的算法（对像）称为“实例(instance)”。
算法模版的核心作用是，上层调用者构造一个完整合法的算法名称，如hmac(md5)，触发模版的alloc动作，为该名称分配一个算法实例，类似于为类实例化一个对像，最终的目的还是使用算法本身。对于xfrm来说，一个典型的算法模版的实例分配触发流程如下所述:
xfrm包裹了一层加密框架支持，参后文“ xfrm加密框架”一节，其算法查找函数为xfrm_find_algo，它调用crypto_has_alg函数进行算法的查找，以验证自己支持的算法是否被内核支持，如xfrm支持cbc(des)，但此时并不知道内核是否有这个算法(如果该算法首次被使用，则还没有分配算法实例)。crypto_has_alg会调用crypto_alg_mod_lookup完成查找工作，crypto_alg_mod_lookup函数查找不命中，会调用crypto_probing_notify函数进行请求探测：

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  1. struct crypto_alg *crypto_alg_mod_lookup(const char *name, u32 type, u32 mask)
  2. {
  3.         ……
  4.         ok = crypto_probing_notify(CRYPTO_MSG_ALG_REQUEST, larval);
  5.         ……
  6. }
请求是通过通知链表来通告的：

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  1. int crypto_probing_notify(unsigned long val, void *v)
  2. {
  3.         int ok;
  5.         ok = blocking_notifier_call_chain(&crypto_chain, val, v);
  6.         if (ok == NOTIFY_DONE) {
  7.                 request_module("cryptomgr");
  8.                 ok = blocking_notifier_call_chain(&crypto_chain, val, v);
  9.         }
  11.         return ok;
  12. }
在algboss.c中注册了一个名为cryptomgr_notifier的通告块结构，其通告处理函数为cryptomgr_notify

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  1. static struct notifier_block cryptomgr_notifier = {
  2.         .notifier_call = cryptomgr_notify,
  3. };
  5. static int __init cryptomgr_init(void)
  6. {
  7.         return crypto_register_notifier(&cryptomgr_notifier);
  8. }
  10. static void __exit cryptomgr_exit(void)
  11. {
  12.         int err = crypto_unregister_notifier(&cryptomgr_notifier);
  13.         BUG_ON(err);
  14. }
这样，当有算法被使用的时候，会调用通告块的处理函数cryptomgr_notify，因为此时的消息是CRYPTO_MSG_ALG_REQUEST，所以cryptomgr_schedule_probe进行算法的探测：

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  1. static int cryptomgr_notify(struct notifier_block *this, unsigned long msg,
  2.                             void *data)
  3. {
  4.         switch (msg) {
  5.         case CRYPTO_MSG_ALG_REQUEST:
  6.                 return cryptomgr_schedule_probe(data);
  7. ……
  9.         return NOTIFY_DONE;
  10. }
cryptomgr_schedule_probe启动一个名为cryptomgr_probe的内核线程来进行算法模版的探测：

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  1. static int cryptomgr_schedule_probe(struct crypto_larval *larval)
  2. {
  3.         ……
  4.         //构造param，以供后面使用
  5.         ……
  6.         thread = kthread_run(cryptomgr_probe, param, "cryptomgr_probe");
  7.         ……
  8. }
cryptomgr_probe完成具体的算法探测过程：

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  1. static int cryptomgr_probe(void *data)
  2. {
  3.         struct cryptomgr_param *param = data;
  4.         struct crypto_template *tmpl;
  5.         struct crypto_instance *inst;
  6.         int err;
  8.         //查找算法模版
  9.         tmpl = crypto_lookup_template(param->template);
  10.         if (!tmpl)
  11.                 goto err;
  13.         //循环调用模版的alloc函数分配算法实列，并将模版注册之
  14.         //这里值得注意的是循环的条件，当返回码为-EAGAIN时，会循环再次尝试
  15.         //这样使用的一个场景后面会分析到
  16.         do {
  17.                 inst = tmpl->alloc(param->tb);
  18.                 if (IS_ERR(inst))
  19.                         err = PTR_ERR(inst);
  20.                 else if ((err = crypto_register_instance(tmpl, inst)))
  21.                         tmpl->free(inst);
  22.         } while (err == -EAGAIN && !signal_pending(current));
  24.         //查找中会增加引用，这里已经用完了释放之
  25.         crypto_tmpl_put(tmpl);
  27.         if (err)
  28.                 goto err;
  30. out:
  31.         kfree(param);
  32.         module_put_and_exit(0);
  34. err:
  35.         crypto_larval_error(param->larval, param->otype, param->omask);
  36.         goto out;
  37. }
理解了算法的注册与查找后，再来理解这个函数就非常容易了，其核心在do{}while循环中，包含了算法实例的分配和注册动作。针对每一种算法模版，其alloc动作不尽一致。后文会对xfrm使用的算法模版一一阐述。

为什么不把“算法实例”直接称之为“算法”，这是因为实例包含了更多的内容，其由结构struct crypto_instance可以看出：

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  1. struct crypto_instance {
  2.         struct crypto_alg alg; //对应的算法名称
  4.         struct crypto_template *tmpl; //所属的算法模版
  5.         struct hlist_node list; //链表成员
  7.         void *__ctx[] CRYPTO_MINALIGN_ATTR; //上下文信息指针
  8. };
内核使用struct crypto_alg描述一个算法（该结构在后文使用时再来分析），可见一个算法实例除了包含其对应的算法，还包含更多的内容。

当分配成功后，cryptomgr_probe会调用crypto_register_instance将其注册，以期将来可以顺利地找到并使用它：

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  1. int crypto_register_instance(struct crypto_template *tmpl,
  2.                              struct crypto_instance *inst)
  3. {
  4.         struct crypto_larval *larval;
  5.         int err;
  7.         //对算法进行合法性检查，并构造完整的驱动名称
  8.         err = crypto_check_alg(&inst->alg);
  9.         if (err)
  10.                 goto err;
  12.         //设置算法内核模块指针指向所属模版
  13.         inst->alg.cra_module = tmpl->module;
  15.         down_write(&crypto_alg_sem);
  17.         //注册算法实例对应的算法
  18.         larval = __crypto_register_alg(&inst->alg);
  19.         if (IS_ERR(larval))
  20.                 goto unlock;
  22.         //成功后，将算法再注册到所属的模版上面
  23.         hlist_add_head(&inst->list, &tmpl->instances);
  24.         //设置模版指针
  25.         inst->tmpl = tmpl;
  27. unlock:
  28.         up_write(&crypto_alg_sem);
  30.         err = PTR_ERR(larval);
  31.         if (IS_ERR(larval))
  32.                 goto err;
  34.         crypto_wait_for_test(larval);
  35.         err = 0;
  37. err:
  38.         return err;
  39. }
注册的一个重要工作，就是调用__crypto_register_alg将实例所对应的算法注册到加密框架子系统中。算法注册成功后，上层调用者就可以调用crypto_alg_mod_lookup等函数进行查找，并使用该算法了。
 
三、        HMAC
MAC（消息认证码）与hash函数非常相似，只是生成固定长度的消息摘要时需要秘密的密钥而已。
HAMC是密钥相关的哈希运算消息认证码（keyed-Hash Message Authentication Code）,HMAC运算利用哈希算法，以一个密钥和一个消息为输入，生成一个消息摘要作为输出。具体的算法描述详见：http://baike.baidu.com/view/1136366.htm?fr=ala0_1。
根据HMAC的特点(可以和类似md5、sha等hash算法组合，构造出hmac(md5)这样的算法)，Linux 加密框架将其抽像为一个算法模版。本章将假设上层调用者使用了名为hmac(md5)的算法，展示这一算法是如何被构造、初始化及调用以实现数据验证的。

1.        算法模版的注册与注销

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  1. static struct crypto_template hmac_tmpl = {
  2.         .name = "hmac",
  3.         .alloc = hmac_alloc,
  4.         .free = hmac_free,
  5.         .module = THIS_MODULE,
  6. };

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  1. static int __init hmac_module_init(void)
  2. {
  3.         return crypto_register_template(&hmac_tmpl);
  4. }

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  1. static void __exit hmac_module_exit(void)
  2. {
  3.         crypto_unregister_template(&hmac_tmpl);
  4. }
模版的注册与注销前文已经描述过了。

2.        算法实例的分配
当一个算法需要被使用却查找不到的时候，会尝试调用其模版对应分配相应的算法实列，这也适用于hmac，其alloc函数指针指向hmac_alloc：

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  1. static struct crypto_instance * hmac_alloc (struct rtattr **tb)
  2. {
  3.         struct crypto_instance *inst;
  4.         struct crypto_alg *alg;
  5.         int err;
  6.         int ds;
  8.         //类型检查，所属算法必需为hash类型
  9.         err = crypto_check_attr_type(tb, CRYPTO_ALG_TYPE_HASH);
  10.         if (err)
  11.                 return ERR_PTR(err);
  13.         //根据参数名称，查找相应的子算法，如md5,shax等
  14.         alg = crypto_get_attr_alg(tb, CRYPTO_ALG_TYPE_HASH,
  15.                                   CRYPTO_ALG_TYPE_HASH_MASK);
  16.         //查找失败
  17.         if (IS_ERR(alg))
  18.                 return ERR_CAST(alg);
  20.         //初始化算法实例
  21.         inst = ERR_PTR(-EINVAL);
  22.         
  23.         //计算算法实列的消息摘要大小(输出大小)
  24.         ds = alg->cra_type == &crypto_hash_type ?
  25.              alg->cra_hash.digestsize :
  26.              alg->cra_type ?
  27.              __crypto_shash_alg(alg)->digestsize :
  28.              alg->cra_digest.dia_digestsize;
  29.         if (ds > alg->cra_blocksize)
  30.                 goto out_put_alg;
  32.         //分配一个算法实列，这样，一个新的算法，如hmac(md5)就横空出世了
  33.         inst = crypto_alloc_instance("hmac", alg);
  34.         //分配失败
  35.         if (IS_ERR(inst))
  36.                 goto out_put_alg;
  38.         //初始化算法实例，其相应的成员等于其子算法中的对应成员
  39.         //类型
  40.         inst->alg.cra_flags = CRYPTO_ALG_TYPE_HASH;
  41.         //优先级
  42.         inst->alg.cra_priority = alg->cra_priority;
  43.         //计算消息摘要的块长度(输入大小)
  44.         inst->alg.cra_blocksize = alg->cra_blocksize;
  45.         //对齐掩码
  46.         inst->alg.cra_alignmask = alg->cra_alignmask;
  47.         //类型指针指向crypto_hash_type
  48.         inst->alg.cra_type = &crypto_hash_type;
  49.         //消息摘要大小
  50.         inst->alg.cra_hash.digestsize = ds;
  52.         //计算算法所需的上下文空间大小
  53.         inst->alg.cra_ctxsize = sizeof(struct hmac_ctx) +
  54.                                 ALIGN(inst->alg.cra_blocksize * 2 + ds,
  55.                                       sizeof(void *));
  57.         //初始化和退出函数
  58.         inst->alg.cra_init = hmac_init_tfm;
  59.         inst->alg.cra_exit = hmac_exit_tfm;
  61.         //置相应hash算法的操作函数，包含hash函数标准的init/update/final和digest/setkey
  62.         inst->alg.cra_hash.init = hmac_init;
  63.         inst->alg.cra_hash.update = hmac_update;
  64.         inst->alg.cra_hash.final = hmac_final;
  65.         //消息摘要函数
  66.         inst->alg.cra_hash.digest = hmac_digest;
  67.         //setkey(密钥设置函数)
  68.         inst->alg.cra_hash.setkey = hmac_setkey;
  70. out_put_alg:
  71.         crypto_mod_put(alg);
  72.         return inst;
  73. }
每个模版的alloc动作虽不同，但是它们基本上遵循一些共性的操作：
1、        合法性检验，如类型检查；
2、        取得其子算法（即被模版所包裹的算法，如hmac(md5)中，就是md5）的算法指针; 
3、        调用crypto_alloc_instance分配一个相应的算法实列；
4、        对分配成功的算法实例进行实始化，这也是理解该算法实例最核心的部份，因为它初始化算法运行所需的一些必要参数和虚函数指针；

crypto_alloc_instance(algapi.c) 函数用于分配一个算法实例，这个函数有两个重要功能，一个是分配内存空间，另一个是初始化spawn。

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  1. //name: 模版名称 
  2. //alg:模版的子算法
  3. struct crypto_instance *crypto_alloc_instance(const char *name,
  4.                                               struct crypto_alg *alg)
  5. {
  6.         struct crypto_instance *inst;
  7.         struct crypto_spawn *spawn;
  8.         int err;
  10.         //分配一个算法实例，crypto_instance结构的最后一个成员ctx是一个指针变量，所以，在分配空间的时候，在其尾部追加相应的空间，可以使用ctx访问之。
  11.         //另一个重要的概念是，算法实例中包含了算法，这个分配，同时也完成了算法实例对应的算法的分配工作。
  12.         inst = kzalloc(sizeof(*inst) + sizeof(*spawn), GFP_KERNEL);
  13.         if (!inst)
  14.                 return ERR_PTR(-ENOMEM);
  16.         err = -ENAMETOOLONG;
  17. //构造完成的算法名称
  18.         if (snprintf(inst->alg.cra_name, CRYPTO_MAX_ALG_NAME, "%s(%s)", name,
  19.                      alg->cra_name) >= CRYPTO_MAX_ALG_NAME)
  20.                 goto err_free_inst;
  22.         //构造完整的算法驱动名称
  23.         if (snprintf(inst->alg.cra_driver_name, CRYPTO_MAX_ALG_NAME, "%s(%s)",
  24.                      name, alg->cra_driver_name) >= CRYPTO_MAX_ALG_NAME)
  25.                 goto err_free_inst;
  27.         //spawn指向算法实例的上下文成员，可以这样做是因为__ctx是一个可变长的成员，在分配实例的时候，
  28.         //在尾部增加了一个spawn的空间
  29.         spawn = crypto_instance_ctx(inst);
  30.         //初始化spawn
  31.         err = crypto_init_spawn(spawn, alg, inst,
  32.                                 CRYPTO_ALG_TYPE_MASK | CRYPTO_ALG_ASYNC);
  34.         if (err)
  35.                 goto err_free_inst;
  37.         return inst;
  39. err_free_inst:
  40.         kfree(inst);
  41.         return ERR_PTR(err);
  42. }
crypto_instance_ctx取出算法实例的ctx指针，返回值是void *，这意味着可以根具不同的需要，将其转换为所需的类型：

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  1. static inline void *crypto_instance_ctx(struct crypto_instance *inst)
  2. {
  3.         return inst->__ctx;
  4. }
一个算法实例被分配成员后，其会被注册至加密子系统，这样，一个算法，例如，hmac(md5)就可以直接被使用了。

3.        待孵化的卵
        已经看到了从模版到算法实例的第一层抽像，每个算法在每一次被使用时，它们的运行环境不尽相同，例如，可能会拥有不同的密钥。将算法看成一个类，则在每一次运行调用时，需要为它产生一个“对像”，这在内核中被称为transform，简称为tfm。后文会详细看到分配一个tfm的过程，现在引入这一概念，主要是为了分析spawn。
加密或认证算法，在调用时，都需要分配其算法对应的tfm，在分配算法实例的同时，并没有为之分配相应的tfm结构，这是因为真正的算法还没有被调用，这并不是进行tfm结构分配的最佳地点。在初始化算法实例的时候，加密框架使用了XXX_spawn_XXX函数簇来解决这一问题。这样的算法对像，被称为spawn(卵)。也就是说，在算法实例分配的时候，只是下了一个蛋（设置好spawn），等到合适的时候来对其进行孵化，这个“合适的时候”，通常指为调用算法实际使用的时候。

在crypto_alloc_instance分配算法实例的时候，就顺便分配了spawn，然后调用crypto_init_spawn对其进行初始化：

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  1. int crypto_init_spawn(struct crypto_spawn *spawn, struct crypto_alg *alg,
  2.                       struct crypto_instance *inst, u32 mask)
  3. {
  4.         int err = -EAGAIN;
  5.         
  6.         //初始化其成员
  7.         spawn->inst = inst;
  8.         spawn->mask = mask;
  10.         down_write(&crypto_alg_sem);
  11.         if (!crypto_is_moribund(alg)) {
  12.                 //加入链表，每个spawn，都被加入到算法的cra_users链，即算做算法的一个用户
  13.                 list_add(&spawn->list, &alg->cra_users);
  14.                 //spawn的alg成员指针指向当前成员，这就方便引用了
  15.                 spawn->alg = alg;
  16.                 err = 0;
  17.         }
  18.         up_write(&crypto_alg_sem);
  20.         return err;
  21. }
所以，所谓算法的spawn的初始化，就是初始化crypto_spawn结构，核心的操作是设置其对应的算法实例、算法，以及一个加入算法的链表的过程。
 
4.        算法的初始化
有了算法实例，仅表示内核拥有这一种“算法”——加引号的意思是说，它可能并不以类似md5.c这样的源代码形式存现，而是通过模版动态创建的。实际要使用该算法，需要为算法分配“运行的对像”，即tfm。

4.1        tfm
内核加密框架中，使用结构crypto_alg来描述一个算法，每一个算法(实例)相当于一个类，在实际的使用环境中，需要为它分配一个对像，在内核加密框架中，这个“对像”被称为transform（简称tfm）。transform意味“变换”，可能译为“蜕变”更为合适。作者对它的注释是：
/*
* Transforms: user-instantiated objects which encapsulate algorithms
* and core processing logic.  Managed via crypto_alloc_*() and
* crypto_free_*(), as well as the various helpers below.
……
*/

tfm是加密框架中一个极为重要的概念，它由结构crypto_tfm描述：

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  1. struct crypto_tfm {
  3.         u32 crt_flags;
  4.         
  5.         union {
  6.                 struct ablkcipher_tfm ablkcipher;
  7.                 struct aead_tfm aead;
  8.                 struct blkcipher_tfm blkcipher;
  9.                 struct cipher_tfm cipher;
  10.                 struct hash_tfm hash;
  11.                 struct ahash_tfm ahash;
  12.                 struct compress_tfm compress;
  13.                 struct rng_tfm rng;
  14.         } crt_u;
  16.         void (*exit)(struct crypto_tfm *tfm);
  17.         
  18.         struct crypto_alg *__crt_alg;
  20.         void *__crt_ctx[] CRYPTO_MINALIGN_ATTR;
  21. };
这些成员的作用，将在后面一一看到，值得注意的是，针对每种算法不同，结构定义了一个名为crt_u的联合体，以对应每种算法的tfm的具体操作，例如加密/解密，求hash，压缩/解压等，加密框架引入了一组名为xxx_tfm的结构封装，xxx表示算法类型，也就是crt_u成员。其定义如下：

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  1. struct ablkcipher_tfm {
  2.         int (*setkey)(struct crypto_ablkcipher *tfm, const u8 *key,
  3.                       unsigned int keylen);
  4.         int (*encrypt)(struct ablkcipher_request *req);
  5.         int (*decrypt)(struct ablkcipher_request *req);
  6.         int (*givencrypt)(struct skcipher_givcrypt_request *req);
  7.         int (*givdecrypt)(struct skcipher_givcrypt_request *req);
  9.         struct crypto_ablkcipher *base;
  11.         unsigned int ivsize;
  12.         unsigned int reqsize;
  13. };
  15. struct aead_tfm {
  16.         int (*setkey)(struct crypto_aead *tfm, const u8 *key,
  17.                       unsigned int keylen);
  18.         int (*encrypt)(struct aead_request *req);
  19.         int (*decrypt)(struct aead_request *req);
  20.         int (*givencrypt)(struct aead_givcrypt_request *req);
  21.         int (*givdecrypt)(struct aead_givcrypt_request *req);
  23.         struct crypto_aead *base;
  25.         unsigned int ivsize;
  26.         unsigned int authsize;
  27.         unsigned int reqsize;
  28. };
  30. struct blkcipher_tfm {
  31.         void *iv;
  32.         int (*setkey)(struct crypto_tfm *tfm, const u8 *key,
  33.                       unsigned int keylen);
  34.         int (*encrypt)(struct blkcipher_desc *desc, struct scatterlist *dst,
  35.                        struct scatterlist *src, unsigned int nbytes);
  36.         int (*decrypt)(struct blkcipher_desc *desc, struct scatterlist *dst,
  37.                        struct scatterlist *src, unsigned int nbytes);
  38. };
  40. struct cipher_tfm {
  41.         int (*cit_setkey)(struct crypto_tfm *tfm,
  42.                           const u8 *key, unsigned int keylen);
  43.         void (*cit_encrypt_one)(struct crypto_tfm *tfm, u8 *dst, const u8 *src);
  44.         void (*cit_decrypt_one)(struct crypto_tfm *tfm, u8 *dst, const u8 *src);
  45. };
  47. struct hash_tfm {
  48.         int (*init)(struct hash_desc *desc);
  49.         int (*update)(struct hash_desc *desc,
  50.                       struct scatterlist *sg, unsigned int nsg);
  51.         int (*final)(struct hash_desc *desc, u8 *out);
  52.         int (*digest)(struct hash_desc *desc, struct scatterlist *sg,
  53.                       unsigned int nsg, u8 *out);
  54.         int (*setkey)(struct crypto_hash *tfm, const u8 *key,
  55.                       unsigned int keylen);
  56.         unsigned int digestsize;
  57. };
  59. struct ahash_tfm {
  60.         int (*init)(struct ahash_request *req);
  61.         int (*update)(struct ahash_request *req);
  62.         int (*final)(struct ahash_request *req);
  63.         int (*digest)(struct ahash_request *req);
  64.         int (*setkey)(struct crypto_ahash *tfm, const u8 *key,
  65.                         unsigned int keylen);
  67.         unsigned int digestsize;
  68.         unsigned int reqsize;
  69. };
  71. struct compress_tfm {
  72.         int (*cot_compress)(struct crypto_tfm *tfm,
  73.                             const u8 *src, unsigned int slen,
  74.                             u8 *dst, unsigned int *dlen);
  75.         int (*cot_decompress)(struct crypto_tfm *tfm,
  76.                               const u8 *src, unsigned int slen,
  77.                               u8 *dst, unsigned int *dlen);
  78. };
  80. struct rng_tfm {
  81.         int (*rng_gen_random)(struct crypto_rng *tfm, u8 *rdata,
  82.                               unsigned int dlen);
  83.         int (*rng_reset)(struct crypto_rng *tfm, u8 *seed, unsigned int slen);
  84. };
为了直接访问这些成员，定义了如下宏：

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  1. #define crt_ablkcipher crt_u.ablkcipher
  2. #define crt_aead crt_u.aead
  3. #define crt_blkcipher crt_u.blkcipher
  4. #define crt_cipher crt_u.cipher
  5. #define crt_hash crt_u.hash
  6. #define crt_ahash crt_u.ahash
  7. #define crt_compress crt_u.compress
  8. #define crt_rng crt_u.rng
这样，要访问hash算法的hash成员，就可以直接使用crt_hash，而不是crt_u.hash。

每种算法访问tfm都使用了二次封装，例如：

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  1. struct crypto_ablkcipher {
  2.         struct crypto_tfm base;
  3. };
  5. struct crypto_aead {
  6.         struct crypto_tfm base;
  7. };
  9. struct crypto_blkcipher {
  10.         struct crypto_tfm base;
  11. };
  13. struct crypto_cipher {
  14.         struct crypto_tfm base;
  15. };
  17. struct crypto_comp {
  18.         struct crypto_tfm base;
  19. };
  21. struct crypto_hash {
  22.         struct crypto_tfm base;
  23. };
  25. struct crypto_rng {
  26.         struct crypto_tfm base;
  27. };
其base成员就是相应算法的tfm。因为它们拥有相应的起始地址，可以很方便地强制类型转换来操作，内核为此专门定义了一组函数，以hash为例，完成这一工作的是crypto_hash_cast：

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  1. static inline struct crypto_hash *__crypto_hash_cast(struct crypto_tfm *tfm)
  2. {
  3.         return (struct crypto_hash *)tfm;
  4. }
  6. static inline struct crypto_hash *crypto_hash_cast(struct crypto_tfm *tfm)
  7. {
  8.         BUG_ON((crypto_tfm_alg_type(tfm) ^ CRYPTO_ALG_TYPE_HASH) &
  9.                CRYPTO_ALG_TYPE_HASH_MASK);
  10.         return __crypto_hash_cast(tfm);
  11. }
当然，针对各种不同的算法，还有许多不同的XXX_cast函数。这些cast函数，将tfm强制转换为其所属的算法类型的封装结构。

4.2 tfm的分配
对于算法的实始化，其核心功能就是分配一个tfm，并设置其上下文环境，例如密钥等参数，然后初始化上述struct xxx_tfm结构。对于hash类的算法来讲，分配tfm是由crypto_alloc_hash(crypt.h) 这个API来完成的，以AH为例，在其初始化过程中有：

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  1. static int ah_init_state(struct xfrm_state *x)
  2. {
  3.         struct crypto_hash *tfm;
  4. ……
  5. tfm = crypto_alloc_hash(x->aalg->alg_name, 0, CRYPTO_ALG_ASYNC);
  6.         if (IS_ERR(tfm))
  7.                 goto error;
  8. ……
  9. }
AH调用crypto_alloc_hash为SA中指定的算法（如hmac(md5)）分配一个tfm，第二个参数为0，第三个参数指明了AH使用异步模式。

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  1. static inline struct crypto_hash *crypto_alloc_hash(const char *alg_name,
  2.                                                     u32 type, u32 mask)
  3. {
  4.         //初始化相应的类型的掩码
  5.         type &= ~CRYPTO_ALG_TYPE_MASK; //清除类型的CRYPTO_ALG_TYPE_MASK位
  6.         mask &= ~CRYPTO_ALG_TYPE_MASK; //清除掩码的CRYPTO_ALG_TYPE_MASK位
  7.         type |= CRYPTO_ALG_TYPE_HASH; //置类型CRYPTO_ALG_TYPE_HASH位
  8.         mask |= CRYPTO_ALG_TYPE_HASH_MASK; //置掩码CRYPTO_ALG_TYPE_HASH_MASK位
  10.         //最终的分配函数是crypto_alloc_base，它分配一个base(每个算法的tfm)，再将其强制类型转换为所需要结构类型
  11.         return __crypto_hash_cast(crypto_alloc_base(alg_name, type, mask));
  12. }
crypto_alloc_base首先检查相应的算法是否存在，对于hmac(md5)这个例子，xfrm在SA的增加中，会触发相应的算法查找，最终会调用hmac模版的alloc分配算法实例（当然也包括算法本身），然后向内核注册算法及算法实例，所以，查找会命中。接下来的工作，是调用tfm的核心分配函数__crypto_alloc_tfm进行分配，其实现如下：

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  1. struct crypto_tfm *crypto_alloc_base(const char *alg_name, u32 type, u32 mask)
  2. {
  3.         struct crypto_tfm *tfm;
  4.         int err;
  6.         for (;;) {
  7.                 struct crypto_alg *alg;
  9.                 //根据算法名称，查找相应的算法,它会首先尝试已经加载的算法，如果失败，也会尝试
  10.                 //动态插入内核模块
  11.                 alg = crypto_alg_mod_lookup(alg_name, type, mask);
  12.                 //查找失败，返回退出循环
  13.                 if (IS_ERR(alg)) {
  14.                         err = PTR_ERR(alg);
  15.                         goto err;
  16.                 }
  18.                 //查找成功，为算法分配tfm
  19.                 tfm = __crypto_alloc_tfm(alg, type, mask);
  20.                 //分配成功，返回之
  21.                 if (!IS_ERR(tfm))
  22.                         return tfm;
  24.                 //释放引用计算，因为查找会增加引用
  25.                 crypto_mod_put(alg);
  26.                 //获取返回错误值，根据其值，决定是否要继续尝试
  27.                 err = PTR_ERR(tfm);
  29. err:
  30.                 if (err != -EAGAIN)
  31.                         break;
  32.                 if (signal_pending(current)) {
  33.                         err = -EINTR;
  34.                         break;
  35.                 }
  36.         }
  38.         return ERR_PTR(err);
  39. }
__crypto_alloc_tfm是内核加密框架中又一重要的函数，它完成了对算法tfm的分配和初始化的工作：

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  1. struct crypto_tfm *__crypto_alloc_tfm(struct crypto_alg *alg, u32 type,
  2.                                       u32 mask)
  3. {
  4.         struct crypto_tfm *tfm = NULL;
  5.         unsigned int tfm_size;
  6.         int err = -ENOMEM;
  8.         //计算tfm所需的空间大小，它包括了tfm结构本身和算法上下文大小
  9.         tfm_size = sizeof(*tfm) + crypto_ctxsize(alg, type, mask);
  10.         //分配tfm
  11.         tfm = kzalloc(tfm_size, GFP_KERNEL);
  12.         if (tfm == NULL)
  13.                 goto out_err;
  15.         //__crt_alg成员指向其所属的算法，对于hmac而言，它就是hmac(xxx)，例如hmac(md5)
  16.         tfm->__crt_alg = alg;
  18.         //初始化tfm选项
  19.         err = crypto_init_ops(tfm, type, mask);
  20.         if (err)
  21.                 goto out_free_tfm;
  23.         //调用算法的初始化函数，初始化tfm，这有个先决条件是tfm本身没有exit函数的实现
  24.         if (!tfm->exit && alg->cra_init && (err = alg->cra_init(tfm)))
  25.                 goto cra_init_failed;
  27.         goto out;
  29. cra_init_failed:
  30.         crypto_exit_ops(tfm);
  31. out_free_tfm:
  32.         if (err == -EAGAIN)
  33.                 crypto_shoot_alg(alg);
  34.         kfree(tfm);
  35. out_err:
  36.         tfm = ERR_PTR(err);
  37. out:
  38.         return tfm;
  39. }
crypto_init_ops负责初始化tfm的选项，对于一个真正的算法（例如md5、dst）和一个伪算法（我说的“伪”，是指由模版动态分配的，如hmac(xxx), authenc(xxx,xxx)），因为并不存在这样的算法，只是内核的一个抽像，故称为"伪"，它们的初始化过程是截然不同的。一个伪算法，它都设置了其所属的类型cra_type，例如，对于hmac(xxx)而言，它指向了crypto_hash_type。这样，初始化时，实质上调用的是其所属类型的init函数：

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  1. static int crypto_init_ops(struct crypto_tfm *tfm, u32 type, u32 mask)
  2. {
  3.         //获取tfm所属算法的所属类型
  4.         const struct crypto_type *type_obj = tfm->__crt_alg->cra_type;
  6.         //如果设置了类型，调用类型的init
  7.         if (type_obj)
  8.                 return type_obj->init(tfm, type, mask);
  10.         //否则，判断算法的类型，调用相应的初始化函数，这些在不同的算法实现中分析
  11.         switch (crypto_tfm_alg_type(tfm)) {
  12.         case CRYPTO_ALG_TYPE_CIPHER:
  13.                 return crypto_init_cipher_ops(tfm);
  14.                 
  15.         case CRYPTO_ALG_TYPE_DIGEST:
  16.                 if ((mask & CRYPTO_ALG_TYPE_HASH_MASK) !=
  17.                     CRYPTO_ALG_TYPE_HASH_MASK)
  18.                         return crypto_init_digest_ops_async(tfm);
  19.                 else
  20.                         return crypto_init_digest_ops(tfm);
  22.         case CRYPTO_ALG_TYPE_COMPRESS:
  23.                 return crypto_init_compress_ops(tfm);
  24.         
  25.         default:
  26.                 break;
  27.         }
  28.         
  29.         BUG();
  30.         return -EINVAL;
  31. }
算法类型的概念很好理解，因为若干个hmac(xxx)都拥有一此相同的类型属性（其它伪算法同样如此），所以可以将它们抽像管理。
对于hash类型的算法而言，它们拥有一个共同的类型crypto_hash_type，其定义在hash.c中：

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  1. const struct crypto_type crypto_hash_type = {
  2.         .ctxsize = crypto_hash_ctxsize,
  3.         .init = crypto_init_hash_ops,
  4. #ifdef CONFIG_PROC_FS
  5.         .show = crypto_hash_show,
  6. #endif
  7. };
它的init函数指针指向crypto_init_hash_ops：

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  1. static int crypto_init_hash_ops(struct crypto_tfm *tfm, u32 type, u32 mask)
  2. {
  3.         struct hash_alg *alg = &tfm->__crt_alg->cra_hash;
  4.         
  5.         //其消息摘要大小不同超过1/8个页面
  6.         if (alg->digestsize > PAGE_SIZE / 8)
  7.                 return -EINVAL;
  9.         //根据掩码位，判断是同步初始化还是异步，对于crypto_alloc_hash调用下来的而言，它
  10.         //设置了CRYPTO_ALG_TYPE_HASH_MASK位，所以是同步初始化
  11.         if ((mask & CRYPTO_ALG_TYPE_HASH_MASK) != CRYPTO_ALG_TYPE_HASH_MASK)
  12.                 return crypto_init_hash_ops_async (tfm);
  13.         else
  14.                 return crypto_init_hash_ops_sync(tfm);
  15. }
在我们AH的例子中，AH使用了异步模式，所以crypto_init_hash_ops_async会被调用。

前述hash_tfm结构封装了hash类型的算法的通用的操作：

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  1. struct hash_tfm {
  2.         int (*init)(struct hash_desc *desc);
  3.         int (*update)(struct hash_desc *desc,
  4.                       struct scatterlist *sg, unsigned int nsg);
  5.         int (*final)(struct hash_desc *desc, u8 *out);
  6.         int (*digest)(struct hash_desc *desc, struct scatterlist *sg,
  7.                       unsigned int nsg, u8 *out);
  8.         int (*setkey)(struct crypto_hash *tfm, const u8 *key,
  9.                       unsigned int keylen);
  10.         unsigned int digestsize;
  11. };
先来看同步模式的初始化操作，crypto_init_hash_ops_sync函数负责初始化这一结构：

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  1. static int crypto_init_hash_ops_sync(struct crypto_tfm *tfm)
  2. {
  3.         struct hash_tfm *crt = &tfm->crt_hash;
  4.         struct hash_alg *alg = &tfm->__crt_alg->cra_hash;
  6.         //置tfm相应操作为算法本身的对应操作，
  7.         //对于hmac(xxx)算法而言，这些东东在hmac_alloc中已经初始化过了，也就是hmac_init等函数
  8.         crt->init = alg->init;
  9.         crt->update = alg->update;
  10.         crt->final = alg->final;
  11.         crt->digest = alg->digest;
  12.         crt->setkey = hash_setkey;
  13.         crt->digestsize = alg->digestsize;
  15.         return 0;
  16. }
异步模式则稍有不同，它使用了hash类型算法的通用函数：

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  1. static int crypto_init_hash_ops_async(struct crypto_tfm *tfm)
  2. {
  3.         struct ahash_tfm *crt = &tfm->crt_ahash;
  4.         struct hash_alg *alg = &tfm->__crt_alg->cra_hash;
  6.         crt->init = hash_async_init;
  7.         crt->update = hash_async_update;
  8.         crt->final = hash_async_final;
  9.         crt->digest = hash_async_digest;
  10.         crt->setkey = hash_async_setkey;
  11.         crt->digestsize = alg->digestsize;
  13.         return 0;
  14. }
不论是同步还是异步，算法的tfm都得到的相应的初始化。回到__crypto_alloc_tfm中来，__crypto_alloc_tfm函数的最后一步是调用算法的cra_init函数(如果它存在的话)，对于hmac(xxx)而言，它在分配的时候指向hmac_init_tfm。hmac_init_tfm的主要工作就是对hmac(xxx)的spawn进行孵化操作。还记得“待孵化的卵”吗？前面讲了只是初始化它，现在到了孵化的时候了

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  1. static int hmac_init_tfm(struct crypto_tfm *tfm)
  2. {
  3.         struct crypto_hash *hash;
  4.         //因为算法实例的第一个成员就是alg，在注册算法时，就是注册的它，所以可以很方便地通过tfm的__crt_alg强制类型转换得到对应的算法实例
  5.         struct crypto_instance *inst = (void *)tfm->__crt_alg;
  6.         //取得算法实例的__ctx域，也就是spawn
  7.         struct crypto_spawn *spawn = crypto_instance_ctx(inst);
  8.         //取得tfm的上下文指针
  9.         struct hmac_ctx *ctx = hmac_ctx(__crypto_hash_cast(tfm));
  11.         //对hmac(xxx)进行孵化，以hmac(md5)为例，这将得到一个md5算法的tfm，当然，通过强制类型转换，它被封装在结构crypto_hash中
  12.         hash = crypto_spawn_hash(spawn);
  13.         if (IS_ERR(hash))
  14.                 return PTR_ERR(hash);
  16.         //设置子算法指向孵化的tfm
  17.         ctx->child = hash;
  18.         return 0;
  19. }
crypto_spawn_hash展示了如何对hash算法簇进行spawn的孵化操作：

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  1. static inline struct crypto_hash *crypto_spawn_hash(struct crypto_spawn *spawn)
  2. {
  3.         //初始化孵化所需的类型和掩码
  4.         u32 type = CRYPTO_ALG_TYPE_HASH;
  5.         u32 mask = CRYPTO_ALG_TYPE_HASH_MASK;
  7.         //调用crypto_spawn_tfm孵化一个tfm，并强制类型转换
  8.         return __crypto_hash_cast(crypto_spawn_tfm(spawn, type, mask));
  9. }
最后的任务交给了crypto_spawn_tfm函数，它为算法孵化一个tfm，因为spawn的alg成员指向了所要孵化的算法，使得这一操作很容易实现

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  1. struct crypto_tfm *crypto_spawn_tfm(struct crypto_spawn *spawn, u32 type,
  2.                                     u32 mask)
  3. {
  4.         struct crypto_alg *alg;
  5.         struct crypto_alg *alg2;
  6.         struct crypto_tfm *tfm;
  8.         down_read(&crypto_alg_sem);
  9.         //要孵化的spawn所属的算法
  10.         alg = spawn->alg;
  11.         alg2 = alg;
  12.         //查找算法所属模块
  13.         if (alg2)
  14.                 alg2 = crypto_mod_get(alg2);
  15.         up_read(&crypto_alg_sem);
  17.         //如果其所属模块没了，则标注算法为DYING，出错退回
  18.         if (!alg2) {
  19.                 if (alg)
  20.                         crypto_shoot_alg(alg);
  21.                 return ERR_PTR(-EAGAIN);
  22.         }
  24.         //初始化tfm
  25.         tfm = ERR_PTR(-EINVAL);
  26.         //验证掩码标志位
  27.         if (unlikely((alg->cra_flags ^ type) & mask))
  28.                 goto out_put_alg;
  30.         //为算法分配相应的tfm，这样，一个算法的spawn就孵化完成了
  31.         tfm = __crypto_alloc_tfm(alg, type, mask);
  32.         if (IS_ERR(tfm))
  33.                 goto out_put_alg;
  35.         return tfm;
  37. out_put_alg:
  38.         crypto_mod_put(alg);
  39.         return tfm;
  40. }
又绕回了__crypto_alloc_tfm函数，其实现之前已经分析过了，对于一个普通的算法(非模版产生的算法，如md5)，其初始化工作略有不同，在了解其初始化工作之前，需要对一个实际的算法作了解。

顺例说一句，内核的这种抽像管理方式，功能异常地强大，可以想像，它可以抽像更多层的嵌套。所以hmac(xxx)中，xxx不一定就是一个md5之类，可能还是一层形如xxx(xxx)的抽像，理论上，它可以像变形金刚一样。

4.3 小结一下
本节分析了一个算法的tfm是如何生成的，因为算法可以是多层的组装，在生成上层算法的同时，它也要为其所包含的算法分配tfm，这一过程称之为spawn。
 
http://bbs.chinaunix.net/thread-3627341-1-1.html
posted on 2013-03-25 22:24  h13  阅读(5676)  评论(0)  编辑  收藏  举报