AI嵌入式K210项目（15）-安全散列算法加速器

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前言

K210内置了丰富的加速器，包括神经网络处理器 (KPU)，AES(高级加密加速器)，APU 麦克风阵列语音数据加速计算处理器，现场可编程 IO 阵列 (FPIOA)，数字摄像头接口 (DVP)，相对于软件可以极大的提高 AES 运算速度，快速傅里叶变换加速器 (FFT)，安全散列算法加速器 (SHA256)。
本文介绍安全散列算法加速器 (SHA256)；

一、什么是SHA256？

说到SHA256就不得不说SHA-2，因为SHA256是SHA-2的子集，SHA-256是当今最常用的SHA2变体之一，因为它具有很高的安全性和性能；
SHA-2，名称来自于安全散列算法2（英语：Secure Hash Algorithm 2）的缩写，一种密码散列函数算法标准，由美国国家安全局研发，由美国国家标准与技术研究院（NIST）在2001年发布。属于SHA算法之一，是SHA-1的后继者。其下又可再分为六个不同的算法标准，包括了：SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256；

SHA-256在当今的加密实现中被广泛使用，例如：

数据完整性 - 使用SHA-256哈希验证软件更新、取证数据、备份等，以确保有效性和防止篡改。

数字签名 - 可以对消息的哈希进行加密，以创建一个验证发送者身份的签名。SHA-256在这方面被广泛使用。

用户凭证 - 在安全存储之前，密码和其他敏感凭证会经过类似SHA-256的算法进行加盐和哈希处理。

区块链 - 交易通过哈希链接在一起，以维护一个不可变的账本。比特币和其他加密货币使用SHA-256。

随机数生成 - SHA-256具有强大的单向特性，适用于生成随机位。

SHA-256如此普遍使用是因为它提供了速度、安全性和易于实现的适当平衡，满足了各种应用的需求。

SHA-256的一些关键特性：

为不同长度的输入产生唯一的固定大小的256位散列。

相同哈希的两个不同输入碰撞的可能性非常小。

输入的任何变化都会导致完全不同的散列。

不可逆的哈希过程无法恢复原始数据。

设计成即使对于大量数据也能计算得非常快。

这使得SHA-256在验证系统中的数据完整性和真实性方面非常理想。

实验原理

将算法按照将常量的初始化、信息预处理、逻辑运算三部分进行介绍

常量初始化
SHA256算法中用到了8个哈希初值以及64个哈希常量

其中，SHA256算法的8个哈希初值如下：

h0 := 0x6a09e667
h1 := 0xbb67ae85
h2 := 0x3c6ef372
h3 := 0xa54ff53a
h4 := 0x510e527f
h5 := 0x9b05688c
h6 := 0x1f83d9ab
h7 := 0x5be0cd19

这些初值是对自然数中前8个质数（2,3,5,7,11,13,17,19）的平方根的小数部分取前32bit而来

举个例子来说，$ \sqrt{2} $小数部分约为0.414213562373095048，而

于是，质数2的平方根的小数部分取前32bit就对应出了0x6a09e667
在SHA256算法中，用到的64个常量如下：

428a2f98 71374491 b5c0fbcf e9b5dba5
3956c25b 59f111f1 923f82a4 ab1c5ed5
d807aa98 12835b01 243185be 550c7dc3
72be5d74 80deb1fe 9bdc06a7 c19bf174
e49b69c1 efbe4786 0fc19dc6 240ca1cc
2de92c6f 4a7484aa 5cb0a9dc 76f988da
983e5152 a831c66d b00327c8 bf597fc7
c6e00bf3 d5a79147 06ca6351 14292967
27b70a85 2e1b2138 4d2c6dfc 53380d13
650a7354 766a0abb 81c2c92e 92722c85
a2bfe8a1 a81a664b c24b8b70 c76c51a3
d192e819 d6990624 f40e3585 106aa070
19a4c116 1e376c08 2748774c 34b0bcb5
391c0cb3 4ed8aa4a 5b9cca4f 682e6ff3
748f82ee 78a5636f 84c87814 8cc70208
90befffa a4506ceb bef9a3f7 c67178f2

和8个哈希初值类似，这些常量是对自然数中前64个质数(2,3,5,7,11,13,17,19,23,29,31,37,41,43,47,53,59,61,67,71,73,79,83,89,97…)的立方根的小数部分取前32bit而来。

信息预处理
SHA256算法中的预处理就是在想要Hash的消息后面补充需要的信息，使整个消息满足指定的结构。

信息的预处理分为两个步骤：附加填充比特和附加长度

STEP1：附加填充比特

在报文末尾进行填充，使报文长度在对512取模以后的余数是448

填充是这样进行的：先补第一个比特为1，然后都补0，直到长度满足对512取模后余数是448。

需要注意的是，信息必须进行填充，也就是说，即使长度已经满足对512取模后余数是448，补位也必须要进行，这时要填充512个比特。

因此，填充是至少补一位，最多补512位。

例：以信息“abc”为例显示补位的过程。

a,b,c对应的ASCII码分别是97,98,99

于是原始信息的二进制编码为：01100001 01100010 01100011

补位第一步，首先补一个“1” ： 0110000101100010 01100011 1

补位第二步,补423个“0”：01100001 01100010 01100011 10000000 00000000 … 00000000

补位完成后的数据如下（为了简介用16进制表示）：

61626380 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000

为什么是448?

因为在第一步的预处理后，第二步会再附加上一个64bit的数据，用来表示原始报文的长度信息。而448+64=512，正好拼成了一个完整的结构。

STEP2：附加长度值

附加长度值就是将原始数据（第一步填充前的消息）的长度信息补到已经进行了填充操作的消息后面。

wiki百科中给出的原文是：append length of message (before pre-processing), in bits, as 64-bit big-endian integer

SHA256用一个64位的数据来表示原始消息的长度。

因此，通过SHA256计算的消息长度必须要小于$ 2^64 $，当然绝大多数情况这足够大了。

长度信息的编码方式为64-bit big-endian integer

关于Big endian的含义，文末给出了补充

回到刚刚的例子，消息“abc”，3个字符，占用24个bit

因此，在进行了补长度的操作以后，整个消息就变成下面这样了（16进制格式）

61626380 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000018

逻辑运算
SHA256散列函数中涉及的操作全部是逻辑的位运算

包括如下的逻辑函数：

其中：

现在来介绍SHA256算法的主体部分，即消息摘要是如何计算的。

首先：将消息分解成512-bit大小的块(break message into 512-bit chunks)

假设数据D可以被分解为n个块，于是整个算法需要做的就是完成n次迭代，n次迭代的结果就是最终的哈希值，即256bit的数字摘要。

一个256-bit的摘要的初始值H0，经过第一个数据块进行运算，得到H1，即完成了第一次迭代，H1经过第二个数据块得到H2，……，依次处理，最后得到Hn，Hn即为最终的256-bit消息摘要。

将每次迭代进行的映射用$ Map(H_{i-1}) = H_{i} $表示，于是迭代可以更形象的展示为：

图中256-bit的Hi被描述8个小块，这是因为SHA256算法中的最小运算单元称为“字”（Word），一个字是32位。

此外，第一次迭代中，映射的初值设置为前面介绍的8个哈希初值，如下图所示：

下面开始介绍每一次迭代的内容，即映射$ Map(H_{i-1}) = H_{i} $的具体算法。

STEP1：构造64个字（word）

对于每一块，将块分解为16个32-bit的big-endian的字，记为w[0], …, w[15]

也就是说，前16个字直接由消息的第i个块分解得到

其余的字由如下迭代公式得到：

STEP2：进行64次循环

映射 $ Map(H_{i-1}) = H_{i} $ 包含了64次加密循环

即进行64次加密循环即可完成一次迭代

每次加密循环可以由下图描述：

图中，ABCDEFGH这8个字（word）在按照一定的规则进行更新，其中

深蓝色方块是事先定义好的非线性逻辑函数，上文已经做过铺垫

红色田字方块代表 mod $ 2^{32} $ addition，即将两个数字加在一起，如果结果大于$ 2^{32} ， 你 必 须 除 以 ，你必须除以，你必须除以 2^{32} $并找到余数。

ABCDEFGH一开始的初始值分别为$ H_{i-1}(0),H_{i-1}(1),…,H_{i-1}(7) $

Kt是第t个密钥，对应我们上文提到的64个常量

Wt是本区块产生第t个word。原消息被切成固定长度512-bit的区块，对每一个区块，产生64个word，通过重复运行循环n次对ABCDEFGH这八个字循环加密。

最后一次循环所产生的八个字合起来即是第i个块对应到的散列字符串$ H_{i} $

二、K210的安全散列算法加速器

SHA256 加速器是用来计算 SHA-256 的计算单元：

? 支持 SHA-256 的计算

? 支持输入数据的 DMA 传输

对应的头文件 sha256.h

支持 SHA-256 的计算。

为用户提供以下接口：

? sha256_init：初始化SHA256加速器外设。

? sha256_update：传入一个数据块参与SHA256 Hash计算。

? sha256_final：结束对数据的SHA256 Hash 计算。

? sha256_hard_calculate：一次性对连续的数据计算它的SHA256 Hash。

三、实验过程

原理很复杂，但是K210内置了算法模块，我们只需要简单的调用这些接口就可以快速实现，如下实验，事先通过https://hash.online-convert.com/sha256-generator 计算好对应的字符串的哈希值，然后调用内置算法，将两者的结果进行比对，如果一致则测试通过

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <encoding.h>
#include "sha256.h"
#include "sleep.h"
#include "sysctl.h"

uint8_t hash[SHA256_HASH_LEN];
uint8_t compare1[] = {0xba, 0x78, 0x16, 0xbf, 0x8f, 0x01, 0xcf, 0xea, 0x41, 0x41, 0x40, 0xde, 0x5d, 0xae, 0x22, 0x23,
                   0xb0, 0x03, 0x61, 0xa3, 0x96, 0x17, 0x7a, 0x9c, 0xb4, 0x10, 0xff, 0x61, 0xf2, 0x00, 0x15, 0xad};

uint8_t compare2[] = {0x58, 0xbe, 0xb6, 0xbb, 0x9b, 0x80, 0xb2, 0x12, 0xc3, 0xdb, 0xc1, 0xc1, 0x02, 0x0c, 0x69, 0x6f,
                   0xbf, 0xa3, 0xaa, 0xd8, 0xe8, 0xa4, 0xef, 0x4d, 0x38, 0x5e, 0x9b, 0x07, 0x32, 0xfc, 0x5d, 0x98};

uint8_t compare3[] = {0x6e, 0x65, 0xda, 0xd1, 0x7a, 0xa2, 0x3e, 0x72, 0x79, 0x8d, 0x50, 0x33, 0xa1, 0xae, 0xe5, 0x9e,
                   0xe3, 0x35, 0x2d, 0x3c, 0x49, 0x6c, 0x18, 0xfb, 0x71, 0xe3, 0xa5, 0x37, 0x22, 0x11, 0xfc, 0x6c};

uint8_t compare4[] = {0xcd, 0xc7, 0x6e, 0x5c, 0x99, 0x14, 0xfb, 0x92, 0x81, 0xa1, 0xc7, 0xe2, 0x84, 0xd7, 0x3e, 0x67,
                    0xf1, 0x80, 0x9a, 0x48, 0xa4, 0x97, 0x20, 0x0e, 0x04, 0x6d, 0x39, 0xcc, 0xc7, 0x11, 0x2c, 0xd0};
uint8_t data_buf[1000*1000];

int main(void)
{
    uint64_t cycle;
    uint8_t total_check_tag = 0;
    
    uint32_t i;
    printf("\n");
    cycle = read_cycle();
    sha256_hard_calculate((uint8_t *)"abc", 3, hash);
    for (i = 0; i < SHA256_HASH_LEN;)
    {
        if (hash[i] != compare1[i])
            total_check_tag = 1;
        printf("%02x", hash[i++]);
        if (!(i % 4))
            printf(" ");
    }
    printf("\n");

    sha256_hard_calculate((uint8_t *)"abcdefghijabcdefghijabcdefghijabcdefghijabcdefghijabcdefghij", 60, hash);
    for (i = 0; i < SHA256_HASH_LEN;)
    {
        if (hash[i] != compare2[i])
            total_check_tag = 1;
        printf("%02x", hash[i++]);
        if (!(i % 4))
            printf(" ");
    }
    printf("\n");
    
    sha256_hard_calculate((uint8_t *)"abcdefghabcdefghabcdefghabcdefghabcdefghabcdefghabcdefghabcdefgha", 65, hash);
    for (i = 0; i < SHA256_HASH_LEN;)
    {
        if (hash[i] != compare3[i])
            total_check_tag = 1;
        printf("%02x", hash[i++]);
        if (!(i % 4))
            printf(" ");
    }
    printf("\n");
    
    memset(data_buf, 'a', sizeof(data_buf));
    sha256_hard_calculate(data_buf, sizeof(data_buf), hash);
    for (i = 0; i < SHA256_HASH_LEN;)
    {
        if (hash[i] != compare4[i])
            total_check_tag = 1;
        printf("%02x", hash[i++]);
        if (!(i % 4))
            printf(" ");
    }
    printf("\n");

    sha256_context_t context;
    sha256_init(&context, sizeof(data_buf));
    sha256_update(&context, data_buf, 1111);
    sha256_update(&context, data_buf + 1111, sizeof(data_buf) - 1111);
    sha256_final(&context, hash);
    for (i = 0; i < SHA256_HASH_LEN;)
    {
        if (hash[i] != compare4[i])
            total_check_tag = 1;
        printf("%02x", hash[i++]);
        if (!(i % 4))
            printf(" ");
    }
    printf("\n");

    cycle = read_cycle() - cycle;
    if (total_check_tag == 1)
        printf("\nSHA256_TEST _TEST_FAIL_\n");
    else
        printf("\nSHA256_TEST _TEST_PASS_\n");
    printf("\nsha256 test time = %ld ms\n", cycle/(sysctl_clock_get_freq(SYSCTL_CLOCK_CPU)/1000));
    while(1);
    return 0;
}

完成代码后进行编译；

cd build

cmake .. -DPROJ=sha256 -G "MinGW Makefiles"

make

编译完成后，在build文件夹下会生成sha256.bin文件。

使用type-C数据线连接电脑与K210开发板，打开kflash，选择对应的设备，再将程序固件烧录到K210开发板上。

烧录后重启开发板，实验结果如下：

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总结

本章学习了SHA-256算法的原理，并验证了K210内置的安全散列算法加速器模块，这使得安全散列的计算速度更快速；