一、问题描述

AES加密模式中,有一种CTR模式,其流程如下图:
image.png

加密时,除了明文和密钥外,还需要一个初始向量COUNTER1,将其加密的结果和明文异或,即可得到密文;下一块明文加密时,COUNTER1加1得到COUNTER2。详情可以查看博文AES的五种加密模式

以下是我用拓展指令集在AES加速的CTR模式代码,测试的了三块数据,初始向量vi=“0102030405060708”(128bit),但编译之后,加密的结果只有第一块正确,其余两块不正确,vivado查看波形,发现三次的COUNTER没有改变,但最后COUNTER的结果确实加了3,到底是为什么?

int NICE_aesEncrypt_ctr(const uint8_t *key, uint32_t keyLen, const uint8_t *vi, 
    const uint8_t *pt, uint8_t *ct, uint32_t len) 
{
    //拷贝初始向量
    uint8_t counter[16]={0};
    memcpy(counter, vi, keyLen);

    uint8_t *pos = ct;
    for(int i=0; i<len; i+=BLOCKSIZE){
        NICE_loadkey((int)key);         //加载密钥
        NICE_loadstate((int)counter);   //**加载counter**
        NICE_encrypt();                 //加密
        NICE_xorvi((int)pt);            //明文异或
        NICE_storestate((int)pos);      //保存密文
        pos +=BLOCKSIZE;                //下一个密文位置
        pt  +=BLOCKSIZE;                //下一个明文位置
        counter[15]+= 1;                //**计数器加1**
    }
    return 0;
}

二、找bug

代码编译的时候,我采用的是-O2或-O3,在编译器看来,代码中NICE_loadstate((int)counter)counter[15]+= 1counter似乎没有数据冲突,因此编译器做循环展开优化的时候,会分开独立运行这两条指令,所以三块的输入向量没有依次累加,但最后counter连续加了3下。以三个数据块为例,原本的执行顺序是①②①②①②,编译优化后的顺序是①①①②②②,这样得到的结果显然不对。

三、Debug

1、不优化(结果正确)

那么如何让编译器“笨”一些呢,我首先采用的是不加优化,结果确实按顺序累加,结果正确。但总觉得不太爽,毕竟-O2优化非常常用,这里不用,其他地方也得用,不加优化不是长远之计。

2、利用数据相关性(失败)

既然编译器认为数据不相关,那么能不能加些东西,让它数据相关,于是借助循环变量i,做累加操作:

// 5 ctr
int NICE_aesEncrypt_ctr(const uint8_t *key, uint32_t keyLen, const uint8_t *vi, const uint8_t *pt, uint8_t *ct, uint32_t len) {
    uint8_t *counter =(char*)malloc(sizeof(char)*16);
    memcpy(counter, vi, keyLen);
    uint8_t temp =counter[15];  //**增加临时变量** 
    uint8_t *pos = ct;

    int zero=0;
    for(int i=0; i<len; i+=BLOCKSIZE){
        temp += i%16;       //**与循环变量有关**
        NICE_loadkey((int)key);
        NICE_loadstate((int)counter);
        NICE_encrypt();
        NICE_xorvi((int)pt);
        NICE_storestate((int)pos);
        pos +=BLOCKSIZE;
        pt  +=BLOCKSIZE;
        //counter[15]+=1;
    }
    return 0;
}

结果还是不行。

全网搜了循环展开编译相关的信息,没找到好的解决方案,心有不甘。

3、内联汇编(结果正确)

一觉醒来,梦游搜索一番,内联汇编的想法冒出来,决定一试:既然编译器不能如我所愿,那我就把想要的部分帮编译器先干了!
各种架构在线编译平台
稍微做一些调整,将+1的操作移到前面,不然要写好多汇编...

// 5 ctr
int NICE_aesEncrypt_ctr(const uint8_t *key, uint32_t keyLen, const uint8_t *vi, const uint8_t *pt, uint8_t *ct, uint32_t len) {
    uint8_t *counter =(char*)malloc(sizeof(char)*16);
    memcpy(counter, vi, keyLen);
    uint8_t *pos = ct;

    int zero=0;
    counter[15]-=1;  //**预先处理**
    for(int i=0; i<len; i+=BLOCKSIZE){
        NICE_loadkey((int)key);
        //前面三条完成+1操作,后面一条完成加密
        __asm__ __volatile__(
                "  lb x10,15(%[src1]) \n\t"
                "  addi x10,x10,1     \n\t"
                "  sb x10,15(%[src1]) \n\t"
                "  .insn r 0x7b,2,0x12,x0,%[src1],x0 \n\t"
                  :"=r"(zero)
                  :[src1]"r"(counter)
        );
        //NICE_loadstate((int)counter);
        NICE_encrypt();
        NICE_xorvi((int)pt);
        NICE_storestate((int)pos);
        pos +=BLOCKSIZE;
        pt  +=BLOCKSIZE;
    }
    return 0;
}

完美解决!编译器在这部分没有改变顺序,-O2或-O3优化可以得到正确的结果!

四、小结

山重水复疑无路,柳暗花明又一村。

本想放弃挣扎,没想到灵感骤现,真是“念念不忘,必有回响”,这个小bug将之前学的指令集,汇编等小知识串在一起,多条内联汇编语句可以规定顺序执行,这在软硬件协同设计里面一定能经常用到。

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