基于mbedTLS在Apollo3 MCU上实现AES-256加解密算法

上海润欣科技股份有限公司创研社

最近有客户咨询，希望能够在刚完成设计的Apollo3产品上增强加密功能，主要是为了防止破解者非法克隆产品。客户同时又提到Apollo3芯片资料上有写到支持AES-128硬件加密模块，还有唯一UID号码，看看能不能把这两块利用起来，做“一机一密”的硬件保护。UID好处理，Apollo3将64位的全球唯一ID号（Unique Chip ID）存放在固定的地址上，直接读取就好了。然而，Apollo3芯片手册上仅仅介绍了Apollo3支持硬件AES-128硬件加密特性，但再也找不到更多相关的信息，官方提供的SDK里面也没有AES的任何实现代码。既然客户提出了需求，我们就要想办法实现。芯片自带的硬件AES暂时无从下手，那么我们先来看看软件AES算法如何？

首先，我们还是先来了解一下什么是AES吧

AES，全称是The Advanced Encryption Standard，翻译成中文是：高级加密标准，但我们一般还是习惯读作AES。AES是一种对称密钥算法，用于数据的加密和解密。在密码学中AES又称作Rijndael加密算法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。AES是由美国国家研究院标准与技术（NIST）从2001年开始建立的一套数字加密标准，发布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。2006年，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。AES取代了原先的数据加密标准（DES），已经被多方分析且广为全世界所使用。AES使用128位固定大小的数据块作为分组数据加密和解密数据，即明文分组的长度固定为128位或16字节。AES可以使用128、192 和 256 位密钥，根据密钥长度不同，AES可分为AES-128，AES-192和AES-256。

AES加解密算法是基于置换和代替的。置换是指数据的重新排列，而代替是用一个单元数据替换另一个。AES使用了如下几种不同的技术来实现置换和替换。

字节替代(SubBytes)：

通过非线性的替换函数，用查找表的方式把分组的字节矩阵中的每个字节用同一个S-BOX替换成另外一个字节。

行移位(ShiftRows)：

一个简单的位置交换。将矩阵中的每个横列进行循环式移位。

列混淆(MixColumns)：

列混淆其实就是对一个状态的每一列去乘一个矩阵，其中乘法是在有限域GF(2^8)内进行的，不可约多项式为x^8+x^4+x^3+x+1。如下图1所示。为了充分混合矩阵中各个直行的操作。这个步骤使用线性转换来混合每列的四个字节。

图1列混淆(MixColumns)

注意，最后一个加密循环中省略MixColumns步骤，而以另一个AddRoundKey取代。

轮密钥加(AddRoundKey)：

当前分组矩阵中的每一个字节和该次轮密钥（round key）进行按位异或运算。轮密钥是通过Key Schedule过程从密码密钥中得到的，轮密钥长度等于分组长度。

 

密钥的长度不同，加密轮数也不同，如下图2所示：

图2 不同长度密钥的AES加密轮数

如下图3所示是AES-128的加密的流程：

图3 AES-128的加密的流程示意图

对AES算法原理及实现过程感兴趣的同学，可以上网搜索更多关于AES的资料，这里不再详述算法实现流程，重点讨论怎么把AES这套算法在Apollo3 MCU上跑起来。

要实现AES算法，我了解到mbedTLS有成熟的AES加密算法库支持，那么让我们再来看看什么是mbedTLS吧。

mbedTLS，前身是PolarSSL，不管是arm掏钱买的，还是人家PolarSSL大方送的，总之，PolarSSL现在已经属于arm的资产了，而且arm官宣PolarSSL是arm的一部分了，还给改了个洋气的名字叫mbedTLS。官方网页置顶处赫然写着醒目的标题：PolarSSL is now part of arm Official announcement and rebranded as Mbed TLS。arm mbedTLS官方网站链接是：https://tls.mbed.org/。如下图4。

图4 mbedTLS官方网站

mbedTLS前世今生了解清楚了，我们还是回到正题，看看mbedTLS是什么，有哪些功能。

mbedTLS是TLS和SSL协议的实现，并且需要相应的加密算法和支持代码。mbed TLS在Apache2.0许可证或GPL2.0许可证下作为开放源码提供。Apache2.0许可证允许您在开放源码和封闭源码项目中使用mbed TLS。宽松的开源许可证，说白了，就是鼓励大家用起来，用开来（当然，最好是希望你用在arm自家的内核MCU上。^_^）。网站宣传mbed TLS的两大特点：Easy to use and Easy to get（容易使用，容易获得）。

mbedTLS核心SSL 库代码是使用完全符合ANSI-C和MISRA-C的C语言编写。mbedTLS实现了SSL模块，基本加密功能并提供各种实用功能，如大家常见的AES, DES, RSA, SHA,MD5等都已经完整实现了。与OpenSSL和其他TLS的实现不同，mbed TLS的设计目标是作为适合小型嵌入式设备来使用的，其最小的完整的TLS堆栈只需要60KB的Flash程序空间和64KB的RAM。它也是高度模块化的：每个组件，如加密函数，是可以独立于框架的其余部分使用。

介绍完AES及mbedTLS的基本概念之后，下面我们就开始动手干活了。

客户使用的IDE是KEIL MDK，假设我们已经打开了Apollo3 SDK里面自带的演示例程或者客户自己的项目工程，我们就开始一步一步详细介绍在Apollo3平台上如何实现AES加解密算法。

 

1、安装mbedTLS Pack

点击KEIL MDK菜单上的Pack Installer图标，如下图5截图红框所示，加载Pack Installer，界面如下图6所示。

图5 KEIL MDK界面上的Pack Installer图标 

图6 Pack Installer界面

在设备厂家ARM目录下找到ARM::mbedTLS，图6显示我已经安装好了最新的v1.6.0版本；如果没有安装，点击Install安装，或者点击Update将版本升级到最新的v1.6.0版本。

 

2、加载mbedTLS组件到我们的工程中

点击KEIL MDK菜单上的Manage Run-Time Environment图标，如下图7截图红框所示，加载Manage Run-Time Environment，界面如下图8所示。

图7 KEIL MDK界面上Manage Run-Time 

Environment图标

图8 Manage Run-Time Environment界面

在Manage Run-Time Environment的这个界面上面找到Security，勾选mbedTLS，点击OK按钮退出。

这个时候，我们在KEIL MDK项目工程目录下就能看到多了一个Security组件及其源代码列表，如下图9所示。 

图9 添加Security组件到项目工程中 

3、添加头文件到代码里，并修改mbedTLS_config.h文件

在需调用mbedTLS的AES API的代码里添加如下头文件：

#include "mbedtls/entropy.h"

#include "mbedtls/ctr_drbg.h"

#include "mbedtls/aes.h"

根据自己需要使用到的功能，修改mbedTLS_config.h文件，比如我这里需要用到AES，那么就需要打开相应的宏定义就好了。对于AES的ECB和CBC加解密，打开如下的这几个宏定义：

#define MBEDTLS_AES_ROM_TABLES

#define MBEDTLS_CIPHER_MODE_CBC

#define MBEDTLS_AES_C

#define MBEDTLS_CIPHER_PADDING_PKCS7

#define MBEDTLS_NO_PLATFORM_ENTROPY

#define MBEDTLS_CTR_DRBG_C

#define MBEDTLS_ENTROPY_C

#define MBEDTLS_SHA256_C

4、AES加密解密相关API介绍

根据需要我们大致经常会用到AES的两种加密模式ECB和CBC。

ECB：就是把数据块进行加密，每16字节为一块，依次进行加密，直到完成，长度不足的补0。

CBC：cipher block chaining，是一种循环模式，前一个分组的密文和当前分组的明文异或后再加密，这样做的目的也是为了增强破解难度。

AES-ECB加解密算法API：

/**

 * \brief  This function performs an AES single-block encryption or

 *    decryption operation.

 *

 *  It performs the operation defined in the \p mode parameter

 *   (encrypt or decrypt), on the input data buffer defined in

 *  the \p input parameter.

 *

*mbedtls_aes_init(), and either mbedtls_aes_setkey_enc() or

 *  mbedtls_aes_setkey_dec() must be called before the first

 *                 call to this API with the same context.

 *

 * \param ctx      The AES context to use for encryption or decryption.

*                 It must be initialized and bound to a key.

* \param mode     The AES operation: #MBEDTLS_AES_ENCRYPT or

 *                 #MBEDTLS_AES_DECRYPT.

 * \param input    The buffer holding the input data.

 *                 It must be readable and at least \c 16 Bytes long.

 * \param output   The buffer where the output data will be written.

 *                 It must be writeable and at least \c 16 Bytes long.

 * \return         \c 0 on success.

 */

int mbedtls_aes_crypt_ecb( mbedtls_aes_context *ctx,

                    int mode,

                    const unsigned char input[16],

                    unsigned char output[16] );

AES-CBC加解密算法API：

/**

 * \brief  This function performs an AES-CBC encryption or decryption operation

 *         on full blocks.

 *

 *         It performs the operation defined in the \p mode

 *         parameter (encrypt/decrypt), on the input data buffer defined in

 *         the \p input parameter.

 *

 *         It can be called as many times as needed, until all the input

 *         data is processed. mbedtls_aes_init(), and either

 *         mbedtls_aes_setkey_enc() or mbedtls_aes_setkey_dec() must be called

 *         before the first call to this API with the same context.

 *

 * \note   This function operates on full blocks, that is, the input size

 *         must be a multiple of the AES block size of \c 16 Bytes.

 *

 * \note   Upon exit, the content of the IV is updated so that you can

 *         call the same function again on the next

 *         block(s) of data and get the same result as if it was

 *         encrypted in one call. This allows a "streaming" usage.

 *         If you need to retain the contents of the IV, you should

 *         either save it manually or use the cipher module instead.

 *

 *

 * \param ctx      The AES context to use for encryption or decryption.

 *                 It must be initialized and bound to a key.

 * \param mode     The AES operation: #MBEDTLS_AES_ENCRYPT or

 *                 #MBEDTLS_AES_DECRYPT.

 * \param length   The length of the input data in Bytes. This must be a

 *                 multiple of the block size (\c 16 Bytes).

 * \param iv       Initialization vector (updated after use).

 *                 It must be a readable and writeable buffer of \c 16 Bytes.

 * \param input    The buffer holding the input data.

 *                 It must be readable and of size \p length Bytes.

 * \param output   The buffer holding the output data.

 *                 It must be writeable and of size \p length Bytes.

 *

 * \return         \c 0 on success.

 * \return         #MBEDTLS_ERR_AES_INVALID_INPUT_LENGTH

 *                 on failure.

 */

int mbedtls_aes_crypt_cbc( mbedtls_aes_context *ctx,

                    int mode,

                    size_t length,

                    unsigned char iv[16],

                    const unsigned char *input,

                    unsigned char *output );

声明一个结构体类型，成员分别存放AES的参数，如加密轮数，轮密钥指针，生成轮密钥的缓冲区等。

/**

 * \brief The AES context-type definition.

 */

typedef struct mbedtls_aes_context

{

    int nr;                     /*!< The number of rounds. */

    uint32_t *rk;               /*!< AES round keys. */

    uint32_t buf[68];           /*!< Unaligned data buffer. This buffer can

                                     hold 32 extra Bytes, which can be used for

                                     one of the following purposes:

                                    

• Alignment if VIA padlock is

                                             used.

                                    

• Simplifying key expansion in the 256-bit

                                         case by generating an extra round key.

                                        */

}mbedtls_aes_context;

结构体初始化函数：

/**

 * \brief          This function initializes the specified AES context.

 *

 *                 It must be the first API called before using

 *                 the context.

 *

 * \param ctx      The AES context to initialize. This must not be \c NULL.

 */

void mbedtls_aes_init( mbedtls_aes_context *ctx );

AES-128 CBC加密参考代码：

mbedtls_aes_context aes_ctx;

// 初始化结构体

mbedtls_aes_init( &aes_ctx );

// 设置解密密钥

mbedtls_aes_setkey_dec(&aes_ctx, key, 128);

// AES-128 CBC加密

mbedtls_aes_crypt_cbc(&aes_ctx, MBEDTLS_AES_ENCRYPT, 64, iv, plain, cipher);

AES-128 CBC解密参考代码：

mbedtls_aes_context aes_ctx;

// 初始化结构体

mbedtls_aes_init( &aes_ctx );

// 设置解密密钥

mbedtls_aes_setkey_dec(&aes_ctx, key, 128);

// AES-128 CBC解密

mbedtls_aes_crypt_cbc(&aes_ctx, MBEDTLS_AES_DECRYPT, 64, iv, cipher, dec_plain);

至此，在Apollo3 MCU上实现AES算法的步骤已经全部完成。

看看，基于mbedTLS在Apollo3 MCU上实现MCU算法是不是特别简单、易用？那么回到客户的问题，我们如何利用芯片唯一ID结合AES加密算法来做点加密呢。

1、 读取芯片UID

通过阅读Apollo3 MCU芯片Datasheet，我们知道64位全球唯一ID号（Unique Chip ID）连续存放在固定的地址上，起始地址为：0x40020004。这个唯一ID号每片芯片都不同的。如下图10所示。

图10 Apollo3 芯片Unique Chip ID

读取UID的代码很简单：

uint32_t uid0, uid1;

uid0 = (*((uint32_t *)0x40020004));

uid1 = (*((uint32_t *)0x40020008));

2、 利用芯片UID构造AES明文序列和密钥

我们把uid0和uid1做异或得到一个常数，利用这个常数来构造AES加密的明文序列和密钥。参考代码如下：

uint32_t i;

    uint32_t seed;

    unsigned int temp; 

    unsigned char _aKey[32];

    unsigned char _aPlaintext[256];

    unsigned char _aCipher[256]={0};

    unsigned char _aIV[16] = {0};

    seed = uid0 ^ uid1;

    // _aPlaintext[256]

    i = 0;

    do

    {

        _aPlaintext[i] = (unsigned char)((seed + i)^0x5A5A5A5A5A);

        ++i;

    }while ( i < 256 );                          

    // _aKey[32]

    i = 0;

    do

    {

        temp = seed >> i;

        *(_aKey+i) = (unsigned char)(temp ^ 0xA5A5A5A5A5);

        i++;

    }while ( i < 32 );

3、 AES加密生成产品特征码

最后，对上述生成的明文序列_aPlaintext[256]和密钥_aKey[32]执行AES-256 CBC加密算法，并将密文结果_aCipher[256]做CRC32运算，参考代码如下：

mbedtls_aes_init( &aes_ctx );

mbedtls_aes_setkey_enc(&aes_ctx, _aKey, 256);

mbedtls_aes_crypt_cbc(&aes_ctx, MBEDTLS_AES_ENCRYPT, 256, _aIV, _aPlaintext, _aCipher);

return CalcCRC32(_aCipher, 256, 0);

最终得到4字节的结果我们将其看作是产品的唯一特征码，真正做到一机一密，可以用它来验证原装产品，也可以防止非法破解和克隆产品。我们可以将这个特征码存放到用户指定的Flash区域或者INFO里面，上电后根据上述流程做AES加密算法后，结果与存储在芯片的特征码做比对，只有原装产品才允许运行代码，有效杜绝产品被非法克隆的风险。

在其他IDE环境下加载并使用mbedTLS组件

如果说你偏好的IDE不是Keil MDK，那么也没有关系，毕竟mbedTLS的源代码还是非常容易获取的，你可以从arm/TLS官网：https://tls.mbed.org/直接下载，点击下面的图标也可以直接下载哦。

另外，还有一种方法。

arm官方Github账号上Git完整源代码：git clone https://github.com/ARMmbed/mbedtls.git，当然，以后你也可以不定期地git pull，申请到最新的版本更新，下载和更新都非常的方便。将mbedTLS源码（library文件夹下）全部添加到你的工程里面，并在你要调用mbedTLS API的代码里面添加相应的头文件，配置一下mbedTLS_config.h头文件里面的宏定义就可以正常使用了。mbedTLS API的调用方法和Keil MDK里面完全一样，毕竟mbedTLS是用纯C语言编写的，不存在移植的问题。

后记

也许大家还想知道添加mbedTLS AES加密算法到项目里面会占用多少Flash和SRAM空间。我们拿数据说话吧，经过对比加入AES前后产生的map文件得知，项目中加入AES-256 CBC加解密算法代码的部分占用Flash 11.63KB， SRAM 0KB（armcc编译器优化 Level0(-O0)），对MCU的存储资源占用较少，对整个系统的影响很小。

再来看看AES-256 CBC的实际运行效率，我们利用ARM内核自带的Systick Timer，对AES加密操作进行计时，看看到底消耗多少时间。参考代码如下：

unsigned int old_primask  = __get_PRIMASK();

__disable_irq();

SysTick->CTRL = 0; // Disable SysTick

SysTick->LOAD = 0xFFFFFF; // Count down from maximum value

SysTick->VAL = 0; // Clear current value to 0

SysTick->CTRL = 0x5; // Enable SysTick, and use processor clock

while (SysTick->VAL == 0); // Wait until SysTick reloaded

START_TIME = SysTick->VAL; // Read start time value

mbedtls_aes256_cbc_test();

STOP_TIME = SysTick->VAL; // Read stop time value

SysTick->CTRL = 0; // Disable SysTick

if ((SysTick->CTRL & 0x10000) == 0) // if no overflow

DURATION = START_TIME - STOP_TIME; // Calculate total cycles

    else

        printf ("Timer overflowed\n");

// SysTick->VAL递减，减到0就产生了溢出，需要RELOAD

// DURATION越小说明程序执行时间越短，效率越高！

printf("DURATION of process of mbedtls_aes_cbc_test() : 0x%.8X.\n\r", DURATION);

__set_PRIMASK(old_primask);

从实验数据得知，运行一次明文长度为256字节的AES-256 CBC加密算法耗时仅需1.2ms（Apollo3 running @ 48MHz），这对于系统来说影响也很小。