Аппаратная поддержка алгоритма AES современными процессорами

• AESENC — Выполнить один раунд шифрования AES,
• AESENCLAST- Выполнить последний раунд шифрования AES,
• AESDEC — Выполнить один раунд расшифрования AES,
• AESDECLAST — Выполнить последний раунд расшифрования AES,
• AESKEYGENASSIST — Поспособствовать в генерации раундового ключа AES,
• AESIMC — Обратный Mix Columns.

Так как про сам алгоритм шифрования AES было уже было сказано многое, то в этом посте рассмотрим, как можно воспользоваться этими инструкциями.

Для начала вспомним, как работает AES. Это потребуется для того, чтобы понять, какие механизмы реализованы в этих инструкциях.
Алгоритм AES использует 4 функции:

1. AddRound — XOR(исключающие или) сообщения с ключом,
2. SubBytes — функция подстановки,
3. ShiftRows- циклический сдвиг полей в блоке по заданному правилу,
4. MixColumns — процедура смешивания.

Сам алгоритм шифрования выглядит так:

Расширение ключа/ExpandKey

Алгоритм расширения ключа в псевдокоде выглядит так:

KeyExpansion(byte key[4*Nk], word w[Nb*(Nr+1)], Nk) begin     word temp     i = 0;     while ( i < Nk)         w[i] = word(key[4*i], key[4*i+1], key[4*i+2], key[4*i+3])         i = i+1     end while     i = Nk     while ( i < Nb * (Nr+1))         temp = w[i-1]         if (i mod Nk = 0)             temp = SubWord(RotWord(temp)) xor Rcon[i/Nk]         else if (Nk > 6 and i mod Nk = 4)             temp = SubWord(temp)         end if         w[i] = w[i-Nk] xor temp         i = i + 1     end while end 

Для аппаратной поддержки надо использовать инструкцию AESKEYGENASSIST, которая выполнит:

AESKEYGENASSIST xmm1, xmm2/m128, imm8  Tmp := xmm2/LOAD(m128)  X3[31-0] = Tmp[127-96];  X2[31-0] = Tmp[95-64];  X1[31-0] = Tmp[63-32];  X0[31-0] = Tmp[31-0];  RCON[7-0]:= imm8;  RCON [31-8]:= 0;  xmm1 :=[RotWord (SubWord (X3)) XOR RCON, SubWord (X3), RotWord (SubWord (X1)) XOR RCON, SubWord (X1)]  

Как легко заметить, инструкция не выполняет:

w[i] = w[i-Nk] xor temp 

Эти операции придется выполнить самим, используя MMX инструкции

aeskeygenassist xmm2, xmm1, 0x1 ; 1 раунд pshufd xmm2, xmm2, 0xff;  movups xmm3, xmm4; pxor xmm2,xmm3; pshufd xmm2, xmm2, 0x00;  pshufd xmm3, xmm3, 0x39; pslldq xmm3,0x4; pxor xmm2,xmm3; pshufd xmm2, xmm2, 0x14;  pshufd xmm3, xmm3, 0x38; pslldq xmm3,0x4; pxor xmm2,xmm3;  pshufd xmm2, xmm2, 0xA4;  pshufd xmm3, xmm3, 0x34; pslldq xmm3,0x4; pxor xmm2,xmm3; 

Шифрование/Encryption

Для реализации одного раунда шифрования используется инструкция AESENC, которая выполняет следующие действия:

AESENC xmm1, xmm2/m128 Tmp = xmm1 Round Key := xmm2/m128 Tmp = ShiftRows (Tmp) Tmp = SubBytes (Tmp) Tmp = MixColumns (Tmp) xmm1 = Tmp xor Round Key  

Последний раунд шифрования реализуется при помощи инструкции AESENCLAST:

AESENC xmm1, xmm2/m128 Tmp = xmm1 Round Key := xmm2/m128 Tmp = ShiftRows (Tmp) Tmp = SubBytes (Tmp) xmm1 = Tmp xor Round Key  

Отличие этой инструкции от AESENC состоит в том, что операция MixColums на последнем шаге не выполняется:

aesenc xmm1, xmm2 ;  aesenclast xmm1, xmm3; 

Расшифровывание/decryption

Для реализации процедуры расшифрования используется инструкция AESDEC:

AESDEC xmm1, xmm2/m128 Tmp = xmm1 Round Key = xmm2/m128 Tmp = InvShift Rows (Tmp) Tmp = InvSubBytes (Tmp) Tmp = InvMixColumns (Tmp) xmm1 = Tmp xor Round Key  

Для получения InvKey надо выполнить операцию InvMixClomuns для ключа. Инструкция, которая это делает — AESIMC xmm1.xmm2
И для последнего раунда расшифрования используется Инструкция AESDECLAST:

AESDECLAST xmm1, xmm2/m128 State = xmm1 Round Key = xmm2/m128 Tmp = InvShift Rows (State) Tmp = InvSubBytes (Tmp) xmm1= Tmp xor RoundKey 

aesmic xmm2,xmm2; aesdec xmm1, xmm2 ;  aesdeclast xmm1, xmm3; 

Итак, аппаратное поддержка должна нам дать приличный прирост к скорости шифрования. В качестве завершения поста приведу класс на C++, реализующий операции шифрования и расшифрования в режиме ECB. После прогона теста была достигнута скорость шифрования на одном ядре i5-3740 (3.2GHz), равная 320MB/sec

Ссылки:

1. Intel® Advanced Encryption Standard(AES) New Instructions Set
2. Список процессоров поддерживающих расширение команд AES-NI
3. C++ класс с AES-NI ассемблерными вставками
4. Анимашка как работает AES