本文简要概述了 Linux 内核的新加密 API。它面向对 Linux 感兴趣的技术人员，例如系统管理员，以及其他好奇的人，他们希望深入了解 API 的设计、实现和应用。对内核内部原理的一些了解是有用的，但对于广泛理解 API 概念来说并非必不可少。

这个 API 的历史很短。在 2002 年万圣节内核功能冻结之前不久，Dave Miller 和 Alexey Kuznetzov 开发的 IPSec 实现被计划包含到 2.6 内核中。IPSec 需要内核内的加密支持，这以及对内核加密日益增长的普遍需求，促使了新的加密 API 的开发。

虽然最初旨在支持 IPSec，但该 API 被设计为通用设施，潜在应用包括加密文件、加密文件系统、强大的文件系统完整性、随机字符设备 (/dev/random)、网络文件系统安全（例如，CIFS）以及其他需要加密的内核网络服务。

一个具体的设计要求是 API 直接在页面向量上就地工作。页面是内核管理的主要内存单元。基于页面向量的 API 允许与内核子结构（例如 VFS 和网络堆栈）以及分散-聚集操作进行深度集成。在 IPSec 的情况下，加密转换可以直接应用于与网络数据包关联的不连续内存页面。

简单性是一个重要的设计目标，这通常是一个好主意，对于内核和安全代码尤其重要。

部署灵活性是另一个目标。例如，API 对算法采取灵活的策略；它们可以作为内核模块动态加载，而 API 无需事先了解任何关于它们的信息。

未来的设计目标包括

API 当前支持三种类型的算法

1) 摘要（单向哈希函数）——这些函数接受任意消息并生成短的、固定长度的消息摘要。为了成为单向的，哈希函数必须设计成易于生成哈希，但难以从哈希计算原始消息。出于加密目的，哈希函数需要抗碰撞，以便难以使两条消息哈希到相同的值。应用包括确保数据完整性和为网络协议生成消息认证码。摘要算法的示例包括 MD5 和 SHA1。

API 中包含一个名为 HMAC (RFC2104) 的消息认证方案，它将对任何标准摘要算法进行操作。这目前用于为 IPSec 数据包生成身份验证数据。

2) 密码——这些算法实现对称密钥加密，其中使用密钥加密明文消息以生成密文。通常，使用相同的密钥将密文解密回原始明文。使用密钥（必须保密）加密和解密消息应该很容易，但在没有密钥的情况下这样做很困难。应用包括加密数据以确保隐私和生成消息认证码。密码算法的示例包括 Triple DES、Blowfish 和 AES。

密码有两种类型：分组密码对固定长度的数据块（例如，16 字节）进行操作，而流密码使用密钥流一次操作少量至一位的数据。

密码也可以在各种模式下运行，例如电子密码本 (ECB)，其中每个明文块都只是用密钥加密，以及密码块链接 (CBC)，其中先前加密的块被馈送到下一个块的加密中。

3) 压缩——这通常与加密结合使用，以便更难以利用与原始明文相关的弱点，并加快加密速度（即，压缩后的明文更短）。根据定义，加密数据应该难以压缩，但这会对通常利用压缩的链路上的性能产生不利影响。在许多情况下，在加密之前压缩数据有助于减少这种性能损失。压缩算法的示例包括 LZS 和 Deflate。

到目前为止，来自知名来源的算法实现已被改编用于 API，因为它们更有可能经过审查和广泛测试。为了包含到主线内核中，算法通常必须是无专利的（例如，IDEA 在 2011 年左右之前不会成为包含的候选者），基于开放的、公认的标准，并提交一组测试向量。

在讨论 API 结构之前，让我们简要了解一下内存页面和页面向量。如前所述，页面是内核管理的基本内存单元（在 i386 上，页面大小为 4KB）。考虑一个包含例如 1,460 字节用户空间数据的缓冲区。它属于内核中的特定页面，从页面开头偏移一定量，长度为 1,460 字节。此缓冲区可以表示为基于页面的元组

{ page, offset, length }

诸如直接使用页面的加密 API 之类的接口需要处理此元组或页面向量。使用一个现有的内核数据结构，称为 scatterlist，它包含一个页面向量，通常用于分散-聚集 DMA 操作。

加密 API 使用 scatterlist 来操作不连续页面向量的数组。内核中分散-聚集的主要目的是避免不必要的数据复制。它似乎也使代码更简洁。许多读者将熟悉分散-聚集 I/O，形式为 readv() 和 writev() 系统调用。内核加密 API 使用相同的通用概念，但操作的是页面而不是普通内存缓冲区。

API 处理两个主要对象

以下伪代码演示了转换接口的典型用法，其中一些内核代码需要使用电子密码本 (ECB) 模式下的 Blowfish 密码加密数据

tfm = crypto_alloc_tfm("blowfish",
                       CRYPTO_TFM_MODE_ECB);
crypto_cipher_setkey(tfm, key, keylength);
crypto_cipher_encrypt(tfm, &scatterlist,
                      numlists);
crypto_free_tfm(tfm);

如图 1 所示，API 是分层的，以便核心逻辑对加密用户和算法实现者隐藏。此核心逻辑包括通用转换管理、scatterlist 操作和底层算法的抽象。更进一步，处理每个算法类型的逻辑，例如密码处理模式和利用摘要生成消息认证码。

图 1. 内核加密 API 的结构

算法管理层包含用于定位、加载和引用计数算法实现的逻辑。后者是必需的，以防止尝试卸载仍在使用的算法模块时发生糟糕的事情。

提供了一个算法运行时查询接口，以便调用代码可以确定系统上可用的算法。这主要用于密钥协商协议，例如 ISAKMP/IKE。

最后，算法注册接口允许模块注册一个或多个算法，指定各种属性，例如算法的名称、其块大小以及最小和最大密钥大小。当前注册的算法及其属性列表可以在 /proc/crypto 中查看。

这仍然是一个年轻的 API，很可能会有所发展，特别是如果此处列出的一些未来设计目标得以实现。

就 API 用户而言，IPSec 工作正常且性能良好，特别是对于没有性能优化的第一个版本。需要加密的现有内核组件预计会随着时间的推移转换为新的 API，并且希望会因此开发出很酷的新项目。

非常感谢 David Miller 和 Nancy Chan 审阅了本文。

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