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[STM32H5] 【STM32 Nucleo-64测评】4、AES加密GCM模式测试

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 楼主| sujingliang 发表于 2024-7-22 13:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
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AES加密, Nucleo-64测评, 测试, STM32, STM32H533, Nucleo-64
本帖最后由 sujingliang 于 2024-7-22 15:40 编辑

一.什么是AES加密？

常见的加密主要分为两类：对称加密和非对称加密，AES加密就是对称加密的一种，即加密和解密使用相同的一把密钥。它的全称是Advanced Encryption Standard(高级加密标准)，主要是用来取代DES加密算法，目前已经被全世界广泛采用，各大处理器厂商也在各自的CPU中，集成了专门的AES指令集，从而在硬件层面提升了AES加解密的速度。

对称加密的流程：
1610045-20220803155700662-53646350.png

  • 明文P(plainText)：未经加密的数据
  • 密钥K(key)：用来加密明文的密码。在对称加密算法中，加密与解密的密钥是相同的，由双方协商产生，绝不可以泄漏
  • 密文C(cipherText): 经过加密的数据
  • 加密函数E(encrypt)：C = E(K, P)，即将明文和密钥作为参数，传入加密函数中，就可以获得密文
  • 解密函数D(decrypt)：P = D(K, C)，即将密文和密钥作为参数，传入解密函数中，就可以获得明文
  AES主要工作模式(其实还有很多模式) ：ECB (Electroniccodebook，电子密码本)、CBC (Cipher-block chaining，密码分组链接)、CFB (Cipher feedback，密文反馈)、OFB (Output feedback，输出反馈)、PCBC (Propagating cipher-block chaining，增强型密码分组链接) 、GCM（伽罗瓦计数器模式）。

二、GCM（伽罗瓦计数器模式）工作模式

伽罗瓦计数器模式从名字上可以看出来，它还是以CTR模式为蓝本，除此之外还提供了防篡改校验。其原理是允许输入一定的自定义数据参与MAC校验码的生成。

如果你对比ECB和GCM对同样明文的加密，会发现GCM的密文比ECB的密文要长，这是因为GCM的密文中还追加了MAC指纹。这也是为什么，如果你修改了ECB的密文，解密并不会失败，只是得不到期望的值，而修改了GCM的密文，解密会失败，因为GCM解密过程中还要对MAC指纹进行校验。之所以较伽罗瓦计数器模式，就是因为在计算MAC的过程中，用到了伽罗瓦域的原理。


1610045-20220803161847175-718977485.png

以上为原理部分，说实话非专业人士不是很容易看得懂。姑且认为是个黑盒子，输入为（明文、KEY、IV、ADD、）经过GCM后输出（密文、TAG）。
三、主要名词
因为要使用HAL库中的HAL_CRYP_Encrypt等函数，必须先了解一些名称。

Key： 加解密使用到的密钥，在AES规范中，支持128、192、256bit三种密钥长度，这也对应了加解密的强度
IV        Initialization vector：在部分分组加密模式中使用的，额外输入的随机初始化向量，其作用一般是用于使同样的明文多次加密的结果增加随机性，工程实践中一般称为Nonce
Cipher（密文）：密文是明文经过加密算法处理后的结果，是加密过程中的输出。在AES GCM中，明文通过AES加密算法和IV、密钥等参数被加密成密文。
TAG（消息认证码）：TAG是AES GCM加密过程中生成的一个认证标记，用于验证密文的完整性和真实性。它基于加密的明文和任何附加认证数据（AAD）计算得出。
附加认证数据（AAD）：在AES GCM加密中，AAD是一组与明文一起处理的非加密数据。这些数据对于加密过程来说是可见的，但不需要保密。AAD的存在允许加密通信的双方验证加密数据的上下文或关联性，从而增加加密系统的安全性。


四、AES加密GCM模式测试
1、数据定义：
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  1. uint32_t pKeyAES[4] = {0xFEFFE992,0x8665731C,0x6D6A8F94,0x67308308};
    

  2. uint32_t pInitVectAES[4] = {0xCAFEBABE,0xFACEDBAD,0xDECAF888,0x00000002};
    

  3. __ALIGN_BEGIN static const uint32_t HeaderAES[5] __ALIGN_END = {
    

  4.                             0xfeedface,0xdeadbeef,0xfeedface,0xdeadbeef,0xabaddad2};
    


  5. 


  6. 

  7. uint32_t Plaintext[PLAINTEXT_SIZE] = {0xd9313225,0xf88406e5,0xa55909c5,0xaff5269a,
    

  8.                                       0x86a7a953,0x1534f7da,0x2e4c303d,0x8a318a72,
    

  9.                                       0x1c3c0c95,0x95680953,0x2fcf0e24,0x49a6b525,
    

  10.                                       0xb16aedf5,0xaa0de657,0xba637b39};
    


  11. 

  12. uint32_t Ciphertext[15] = {0x42831ec2,0x21777424,0x4b7221b7,0x84d0d49c,
    

  13.                            0xe3aa212f,0x2c02a4e0,0x35c17e23,0x29aca12e,
    

  14.                            0x21d514b2,0x5466931c,0x7d8f6a5a,0xac84aa05,
    

  15.                            0x1ba30b39,0x6a0aac97,0x3d58e091};
    


  16. 

  17. uint32_t ExpectedTAG[4]={0x5bc94fbc,0x3221a5db,0x94fae95a,0xe7121a47};
pKeyAES：密钥
pInitVectAES：IV        Initialization vector
HeaderAES：附加认证数据（AAD）
Plaintext：明文
Ciphertext：期望密文
ExpectedTAG：期望TAG（消息认证码）


2、Show_Message(void)
复制
  1. static void Show_Message(void)
    

  2. {
    

  3.         printf("板子名称：%s\r\n",BSP_GetBoardName());
    

  4.         printf("版本：%d\r\n",BSP_GetVersion());
    

  5.         printf("板子ID：%s\r\n",BSP_GetBoardID());
    

  6.         printf("[STM32 Nucleo-64测评] 4、AES加密GCM模式测试\r\n");
    

  7.         
    

  8. }

3、main()片段
复制
  1.  Show_Message();
    

  2.         
    

  3.          /* USER CODE BEGIN 2 */
    

  4.   /*##-2- Encryption Phase #################################################*/
    

  5.         
    

  6.         printf("\r\nEncryption Phase #################################################\r\n");
    

  7.         printf("HAL_CRYP_Encrypt start...[uwTick=%d]\r\n",uwTick);
    

  8.   if (HAL_CRYP_Encrypt(&hcryp, Plaintext, PLAINTEXT_SIZE, EncryptedText, TIMEOUT_VALUE) != HAL_OK)
    

  9.   {
    

  10.     /* Processing Error */
    

  11.     Error_Handler();
    

  12.   }
    

  13.         printf("HAL_CRYP_Encrypt finished...[uwTick=%d]\r\n",uwTick);
    

  14.   /*Compare results with expected buffer*/
    

  15.         
    

  16.         printf("加密结果：\r\n");
    

  17.         for(int i=0;i<PLAINTEXT_SIZE;i++){
    

  18.                 printf("0x%08X,",EncryptedText[i]);
    

  19.         }
    

  20.         printf("\r\n");
    

  21.         
    

  22.         
    

  23.         printf("预期加密结果：\r\n");
    

  24.         for(int i=0;i<PLAINTEXT_SIZE;i++){
    

  25.                 printf("0x%08X,",Ciphertext[i]);
    

  26.         }
    

  27.         printf("\r\n");
    

  28.   if(memcmp(EncryptedText, Ciphertext, 4*PLAINTEXT_SIZE) != 0)
    

  29.   {
    

  30.     /* Processing Error */
    

  31.     Error_Handler();
    

  32.   }
    

  33.   /* Compute the authentication TAG */
    

  34.   if (HAL_CRYPEx_AESGCM_GenerateAuthTAG(&hcryp,TAG, TIMEOUT_VALUE) != HAL_OK)
    

  35.   {
    

  36.     /* Processing Error */
    

  37.     Error_Handler();
    

  38.   }
    

  39.         
    

  40.         printf("加密令牌TAG结果：\r\n");
    

  41.         for(int i=0;i<4;i++){
    

  42.                 printf("0x%08X,",TAG[i]);
    

  43.         }
    

  44.         printf("\r\n");
    

  45.   /*Compare results with expected buffer*/
    

  46.   if(memcmp(TAG, ExpectedTAG, 16) != 0)
    

  47.   {
    

  48.     /* Processing Error */
    

  49.     Error_Handler();
    

  50.   }
    

  51.         printf("预期加密令牌TAG结果：\r\n");
    

  52.         for(int i=0;i<4;i++){
    

  53.                 printf("0x%08X,",ExpectedTAG[i]);
    

  54.         }
    

  55.         printf("\r\n");
    

  56.         
    


  57. 


  58. 

  59.  /*##-3- Decryption Phase #################################################*/
    

  60.         printf("\r\n\Decryption Phase #################################################\r\n");
    


  61. 

  62.         printf("HAL_CRYP_Decrypt start...[uwTick=%d]\r\n",uwTick);
    

  63.   if (HAL_CRYP_Decrypt(&hcryp,Ciphertext , PLAINTEXT_SIZE, DecryptedText, TIMEOUT_VALUE) != HAL_OK)
    

  64.   {
    

  65.     /* Processing Error */
    

  66.     Error_Handler();
    

  67.   }
    

  68.         printf("HAL_CRYP_Decrypt finished...[uwTick=%d]\r\n",uwTick);
    

  69.         
    

  70.         printf("解密结果：\r\n");
    

  71.         for(int i=0;i<PLAINTEXT_SIZE;i++){
    

  72.                 printf("0x%08X,",DecryptedText[i]);
    

  73.         }
    

  74.         printf("\r\n");
    

  75.         
    

  76.   /*Compare results with expected buffer*/
    

  77.   if(memcmp(DecryptedText, Plaintext, 16) != 0)
    

  78.   {
    

  79.     /* Processing Error */
    

  80.     Error_Handler();
    

  81.   }
    


  82. 

  83.         printf("明文：\r\n");
    

  84.         for(int i=0;i<PLAINTEXT_SIZE;i++){
    

  85.                 printf("0x%08X,",Plaintext[i]);
    

  86.         }
    

  87.         printf("\r\n");
    

  88.   /* Compute the authentication TAG */
    

  89.   if (HAL_CRYPEx_AESGCM_GenerateAuthTAG(&hcryp,TAG, TIMEOUT_VALUE) != HAL_OK)
    

  90.   {
    

  91.     /* Processing Error */
    

  92.     Error_Handler();
    

  93.   }
    

  94.         
    

  95.         printf("解密令牌TAG结果：\r\n");
    

  96.         for(int i=0;i<4;i++){
    

  97.                 printf("0x%08X,",TAG[i]);
    

  98.         }
    

  99.         printf("\r\n");        
    

  100.   /*Compare results with expected buffer*/
    

  101.   if(memcmp(TAG, ExpectedTAG, 16) != 0)
    

  102.   {
    

  103.     /* Processing Error */
    

  104.     Error_Handler();
    

  105.   }
    

  106.         printf("预期解密令牌TAG结果：\r\n");
    

  107.         for(int i=0;i<4;i++){
    

  108.                 printf("0x%08X,",ExpectedTAG[i]);
    

  109.         }
    

  110.         printf("\r\n");        
HAL_CRYP_Encrypt是加密函数
HAL_CRYP_Decrypt是解密函数
HAL_CRYPEx_AESGCM_GenerateAuthTAG生成TAG


4、AES初始化
复制
  1. static void MX_AES_Init(void)
    

  2. {
    


  3. 

  4.   /* USER CODE BEGIN AES_Init 0 */
    


  5. 

  6.   /* USER CODE END AES_Init 0 */
    


  7. 

  8.   /* USER CODE BEGIN AES_Init 1 */
    


  9. 

  10.   /* USER CODE END AES_Init 1 */
    

  11.   hcryp.Instance = AES;
    

  12.   hcryp.Init.DataType = CRYP_NO_SWAP;
    

  13.   hcryp.Init.KeySize = CRYP_KEYSIZE_128B;
    

  14.   hcryp.Init.pKey = (uint32_t *)pKeyAES;
    

  15.   hcryp.Init.pInitVect = (uint32_t *)pInitVectAES;
    

  16.   hcryp.Init.Algorithm = CRYP_AES_GCM_GMAC;
    

  17.   hcryp.Init.Header = (uint32_t *)HeaderAES;
    

  18.   hcryp.Init.HeaderSize = 5;
    

  19.   hcryp.Init.DataWidthUnit = CRYP_DATAWIDTHUNIT_WORD;
    

  20.   hcryp.Init.HeaderWidthUnit = CRYP_HEADERWIDTHUNIT_WORD;
    

  21.   hcryp.Init.KeyIVConfigSkip = CRYP_KEYIVCONFIG_ALWAYS;
    

  22.   hcryp.Init.KeyMode = CRYP_KEYMODE_NORMAL;
    

  23.   if (HAL_CRYP_Init(&hcryp) != HAL_OK)
    

  24.   {
    

  25.     Error_Handler();
    

  26.   }
    

  27.   /* USER CODE BEGIN AES_Init 2 */
    


  28. 

  29.   /* USER CODE END AES_Init 2 */
    


  30. 

  31. }

五、运行效果


aes2.gif

网上AES在线工具计算比较：
aes1.gif

六、总结

1、加密解密结果正确。

2、加密和解密耗时大约3、4个TICKS。

3、官方例子位置：STM32Cube_FW_H5_V1.3.0\Projects\NUCLEO-H533RE\Examples\CRYP\CRYP_AES_GCM_Padding



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呐咯密密 发表于 2024-7-24 11:38 | 显示全部楼层
ST有工具配置吗
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kqh11a 发表于 2024-7-29 14:25 | 显示全部楼层
GCM是基于计数器模式（CTR）的加密模式，它结合了加密和认证的功能：

加密：使用AES算法对数据块进行加密。
认证：使用Galois域的乘法来生成认证码（TAG），验证数据的完整性。
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发给她更好fh 发表于 2024-7-31 23:20 | 显示全部楼层
AES（Advanced Encryption Standard） 是一种对称加密算法，用于加密和解密数据。它的主要特点是：

对称加密：加密和解密使用相同的密钥。
块加密：AES处理数据块，每块128位（16字节），支持三种密钥长度：128位、192位和256位。
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发给她更好fh 发表于 2024-7-31 23:20 | 显示全部楼层
Key（密钥）：用于加密和解密的密码。
IV（Initialization Vector，初始化向量）：用于增加加密的随机性，防止相同明文产生相同密文。
Cipher（密文）：加密后的数据。
TAG（消息认证码）：用于验证密文的完整性和真实性。
AAD（附加认证数据）：与明文一起处理，但不进行加密的数据，增加了加密系统的安全性。
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