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第二十七章 高级加密加速器实验
本章将介绍Kendryte K210的AES模块的使用，通过AES256加密实验帮助读者了解AES相关知识。通过本章的学习，读者将会对Kendryte K210内置的硬件AES模块有初步认知和应用能力。 本章分为如下几个小节： 27.1 AES介绍 27.2 硬件设计 27.3 程序设计 27.4 运行验证
27.1 AES介绍 Kendryte K210内置AES（高级加密加速器），相对于软件可以极⼤的提高AES运算速度。 AES加速器支持多种加密/解密模式（ECB,CBC,GCM）,多种⻓度的KEY（ECB,CBC,GCM）的运算。 AES 加速器是用来加密和解密的模块，具体性能如下： 1. 支持ECB，CBC，GCM三种加密方式 2. 支持128位，192位，256位三种长度的KEY 3. KEY可以通过软件配置，受到硬件电路保护 4. 支持DMA传输 Kendryte K210提供了非常多操作AES的API函数，我们这里就不一一详细讲解，大家可以自行参考官方库文件aes.c和aes.h，本章以AES256实验为例，以表格的形式讲述部分用到的函数，这些函数介绍如下： | | | AES-ECB-256 加密运算。输入输出数据都使用 cpu 传输。ECB 加密将明文按照固定大小 16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。ECB 模式没有用到向量。 | | AES-ECB-256 解密运算。输入输出数据都使用 cpu 传输。ECB 加密将明文按照固定大小 16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。ECB 模式没有用到向量。 | | AES-CBC-256 加密运算。输入输出数据都使用 cpu 传输。CBC 加密将明文按照固定大小 16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。 | | AES-CBC-256 解密运算。输入输出数据都使用 cpu 传输。CBC 加密将明文按照固定大小 16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。 | | AES-GCM-256 加密运算。输入输出数据都使用 cpu 传输。 | | AES-GCM-256 解密运算。输入输出数据都使用 cpu 传输。 | aes_ecb256_hard_encrypt_dma | AES-ECB-256 加密运算。输入数据使用 cpu 传输，输出数据都使用 dma 传输。ECB 加密将明文按照固定大小 16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。ECB 模式没有用到向量。 | aes_ecb256_hard_decrypt_dma | AES-ECB-256 解密运算。输入数据使用 cpu 传输，输出数据都使用 dma 传输。ECB 加密将明文按照固定大小 16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。ECB 模式没有用到向量。 | aes_cbc256_hard_encrypt_dma | AES-CBC-256 加密运算。输入数据使用 cpu 传输，输出数据都使用 dma 传输。CBC 加密将明文按照固定大小 16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。 | aes_cbc256_hard_decrypt_dma | AES-CBC-256 解密运算。输入数据使用 cpu 传输，输出数据都使用 dma 传输。CBC 加密将明文按照固定大小 16bytes 的块进行加密的，块大小不足则进行填充。 | aes_gcm256_hard_encrypt_dma | AES-GCM-256 加密运算。输入数据使用 cpu 传输，输出数据都使用 dma 传输。 | aes_gcm256_hard_decrypt_dma | AES-GCM-256 解密运算。输入数据使用 cpu 传输，输出数据都使用 dma 传输。 | | | | | | |
表27.1.1 AES部分API函数介绍 上表介绍了AES256操作所用到的所有API函数。 27.2 硬件设计 27.2.1 例程功能 1. 计算并打印输出AES的ECB模式、CBC模式和 GCM 模式对数据加密处理的时间（包括软件和硬件的对比时间，CPU 和 DMA 使用的是硬件的 AES ）。 27.2.2 硬件资源 1.USB接口 UARTHS_TX – IO5 UARTHS_RX – IO4 27.2.3 原理图 本章实验内容，主要讲解AES模块的使用，无需关注原理图。 27.3 程序设计 27.3.1 main.c代码 本章例程均来自官方SDK的DEMO，本章仅简单介绍下maic.c文件部分函数的功能，代码如下所示： int main(void) { aes_cipher_mode_t cipher; printf("begin test %d\n", get_time_flag); for (cipher = AES_ECB; cipher < AES_CIPHER_MAX; cipher++) { printf("[%s] test all byte ... \n", cipher_name[cipher]); if (AES_CHECK_FAIL == aes_check_all_byte(cipher)) { printf("aes %s check_all_byte fail\n", cipher_name[cipher]); return -1; } printf("[%s] test all key ... \n", cipher_name[cipher]); if (AES_CHECK_FAIL == aes_check_all_key(cipher)) { printf("aes %s check_all_key fail\n", cipher_name[cipher]); return -1; } printf("[%s] test all iv ... \n", cipher_name[cipher]); if (AES_CHECK_FAIL == aes_check_all_iv(cipher)) { printf("aes %s check_all_iv fail\n", cipher_name[cipher]); return -1; } printf("[%s] [%ld bytes] cpu time = %ld us, dma time = %ld us, soft time = %ld us\n", cipher_name[cipher], AES_TEST_DATA_LEN, cycle[cipher][AES_HARD][AES_CPU]/(sysctl_clock_get_freq(SYSCTL_CLOCK_CPU)/1000000), cycle[cipher][AES_HARD][AES_DMA]/(sysctl_clock_get_freq(SYSCTL_CLOCK_CPU)/1000000), cycle[cipher][AES_SOFT][AES_CPU]/(sysctl_clock_get_freq(SYSCTL_CLOCK_CPU)/1000000)); } printf("aes-256 test pass\n"); while (1) ; return 0; } 可以看到，mian函数主要的功能是通过一个for循环，把 AES 的三种模式（ECB/CBC/GCM）对应的时间打印出来。 check_result_t aes_check_all_byte(aes_cipher_mode_t cipher) { uint32_t check_tag = 0; uint32_t index = 0; size_t data_len = 0; memset(aes_hard_in_data, 0, AES_TEST_PADDING_LEN); if (cipher == AES_GCM) iv_len = iv_gcm_len; for (index = 0; index < (AES_TEST_DATA_LEN < 256 ? AES_TEST_DATA_LEN : 256); index++) { aes_hard_in_data[index] = index; data_len++; AES_DBG("[%s] test num: %ld \n", cipher_name[cipher], data_len); if (aes_check(aes_key, key_len, aes_iv, iv_len, aes_aad, aad_len, cipher, aes_hard_in_data, data_len) == AES_CHECK_FAIL) check_tag = 1; } memset(aes_hard_in_data, 0, AES_TEST_PADDING_LEN); get_time_flag = 1; data_len = AES_TEST_DATA_LEN; AES_DBG("[%s] test num: %ld \n", cipher_name[cipher], data_len); for (index = 0; index < data_len; index++) aes_hard_in_data[index] = index % 256; if (aes_check(aes_key, key_len, aes_iv, iv_len, aes_aad, aad_len, cipher, aes_hard_in_data, data_len) == AES_CHECK_FAIL) check_tag = 1; get_time_flag = 0; if(check_tag) return AES_CHECK_FAIL; else return AES_CHECK_PASS; } AES检测所有byte。 check_result_t aes_check_all_key(aes_cipher_mode_t cipher) { size_t data_len = 0; uint32_t index = 0; uint32_t i = 0; uint32_t check_tag = 0; memset(aes_hard_in_data, 0, AES_TEST_PADDING_LEN); if (cipher == AES_GCM) iv_len = iv_gcm_len; data_len = AES_TEST_DATA_LEN; for (index = 0; index < data_len; index++) aes_hard_in_data[index] = index; for (i = 0; i < (256 / key_len); i++) { for (index = i * key_len; index < (i * key_len) + key_len; index++) aes_key[index - (i * key_len)] = index; if (aes_check(aes_key, key_len, aes_iv, iv_len, aes_aad, aad_len, cipher, aes_hard_in_data, data_len) == AES_CHECK_FAIL) check_tag = 1; } if(check_tag) return AES_CHECK_FAIL; else return AES_CHECK_PASS; } AES检测所有key。 check_result_t aes_check_all_iv(aes_cipher_mode_t cipher) { size_t data_len = 0; uint32_t index = 0; uint32_t i = 0; uint8_t check_tag = 0; memset(aes_hard_in_data, 0, AES_TEST_PADDING_LEN); if (cipher == AES_GCM) iv_len = iv_gcm_len; data_len = AES_TEST_DATA_LEN; for (index = 0; index < data_len; index++) aes_hard_in_data[index] = index; for (i = 0; i < (256 / iv_len); i++) { for (index = i * iv_len; index < (i * iv_len) + iv_len; index++) aes_iv[index - (i * iv_len)] = index; if (aes_check(aes_key, key_len, aes_iv, iv_len, aes_aad, aad_len, cipher, aes_hard_in_data, data_len) == AES_CHECK_FAIL) check_tag = 1; } if(check_tag) return AES_CHECK_FAIL; else return AES_CHECK_PASS; } AES检测所有IV。 27.4 运行验证 将DNK210开发板连接到电脑主机，通过VSCode将固件烧录到开发板中，我们打开“串口终端”，可以看到串口中断不断的打印数据，如下图所示： 图27.4.1 “串行终端”窗口打印输出
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