使用CPU硬件指令对AES加解密进行加速

2021-11-11 00:23:50

概述

AES是世界上最安全、使用广泛的加密算法，很多安全合规要求里面都明确要求使用AES算法，只是相对于3des、rc4等加密算法，速度慢了很多，幸好有了AES-NI，这是针对AES加密算法的硬件加解密CPU指令集。

AES-NI的全称是：Advanced Encryption Standard New Instructions。指令集说明

更多详细的信息可以参考Intel发布的企业安全AES-NI白皮书，本文重点在目前阿里公有云上的主流机型上进行性能测试对比，用于RDS的SSL（链路加密）和TDE（透明加密）特性中。

支持AES-NI指令集的Intel CPU列表，基本上2010年之后的Intel CPU都支持，另外AMD和ARM的一些型号也支持。

支持AES-NI的安全和加密软件库

绝大多数现代编译器都支持AES-NI指令。常见的支持AES-NI的安全加密软件库：

Cryptography API: Next Generation (CNG) (requires Windows)[27]
Linux's Crypto API
Java 7 HotSpot
Network Security Services (NSS) version 3.13 and above28
Solaris Cryptographic Framework[29] on Solaris 10 onwards
FreeBSD's OpenCrypto API (aesni(4) driver)[30]
OpenSSL 1.0.1 and above[31]
FLAM®/FLUC® 5.1.08 (released 2015-08-24) and above

查看CPU信息

测试的目标机器是D13机型，具体CPU配置如下：

#lscpu
Architecture:          x86_64
CPU op-mode(s):        32-bit, 64-bit
Byte Order:            Little Endian
CPU(s):                24
On-line CPU(s) list:   0-23
Thread(s) per core:    2
Core(s) per socket:    6
CPU socket(s):         2
NUMA node(s):          1
Vendor ID:             GenuineIntel
CPU family:            6
Model:                 45
Stepping:              7
CPU MHz:               2194.853
BogoMIPS:              4388.87
Virtualization:        VT-x
L1d cache:             32K
L1i cache:             32K
L2 cache:              256K
L3 cache:              15360K
NUMA node0 CPU(s):     0-23

检查系统是否支持AES-NI指令

D13机型24个核都开启了AES-NI

#grep -m1 -o aes /proc/cpuinfo
aes
#grep -o aes /proc/cpuinfo|wc -l
24

openssl是否支持AES-NI指令

openssl从1.0.0版本之后开始支持aesni engine，但是在1.0.0版本中必须在代码中显式指定engine，如下：

EVP_CIPHER_CTX ctx;
EVP_CIPHER_CTX_init(&ctx);
ENGINE_load_builtin_engines();
ENGINE* engine=ENGINE_by_id("aesni");
if(engine==NULL){
    printf("aesni not found\n");
}
EVP_EncryptInit_ex(&ctx,EVP_aes_128_cbc(),engine,test_key_128,test_init_vector);
int out;
EVP_CipherUpdate(&ctx,output,&out, test_plain_text, inputlen);

openssl 1.0.1版本后，将这个engine去掉了，变成运行时期自动检测是否支持AES-NI，如下:

extern unsigned int OPENSSL_ia32cap_P[2]; 

#define AESNI_CAPABLE (OPENSSL_ia32cap_P[1]&(1<<(57-32)))

const EVP_CIPHER *EVP_aes_128_cbc(void) { return AESNI_CAPABLE?&aesni_128_cbc:&aes_128_cbc; }

只有使用openssl EVP的接口定义函数才能够使用AES-NI。简单介绍一下EVP，EVP函数对openssl的底层加解密函数进行了封装，提供高层的通用接口，其中一大好处就是底层的加解密套件可以更换，而调用方无需做代码更改。

测试方法

开启AES-NI指令加速情况下测试aes-256-cbc

openssl speed -elapsed -evp aes-256-cbc

关闭AES-NI指令加速的情况下测试aes-256-cbc的性能

OPENSSL_ia32cap="~0x200000200000000" openssl speed -elapsed -evp aes-256-cbc

在D13机型中不同密钥长度是否开启AES-NI的加解密性能测试数据

测试值的含义是单个CPU每秒处理的数据量。

AES-NI enabled	type	16 bytes	64 bytes	256 bytes	1024 bytes	8192 bytes
ON	aes-256-cbc	282.49MB	296.7MB	300.08MB	301.0MB	301.21MB
OFF	aes-256-cbc	136.59MB	153.13MB	156.37MB	158.5MB	159.37MB
ON	aes-128-cbc	385.65MB	411.25MB	418.37MB	420.14MB	420.62MB
OFF	aes-128-cbc	180.44MB	209.81MB	217.87MB	220.55MB	222.4MB

结论：

密钥长度越长，处理速度越慢
AES-NI开启后的处理性能提升2～3倍

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