OpenHarmony源码分析之分布式软总线：mbed TLS库的应用

一、概述

Mbed TLS 库旨在与现有（嵌入式）应用程序集成，并为安全通信、加密和密钥管理提供构建块。Mbed TLS 设计为尽可能松散耦合，允许您只集成您需要的部分，而无需其他部分的开销。这也导致 Mbed TLS 库的内存占用和构建占用非常低。通过消除系统中不需要的部件，您可以获得从低至 45 kB 到更典型的 300 kB 的构建大小，以实现功能更齐全的设置。Mbed TLS 是用可移植的 C 语言设计的，以嵌入式环境为主要目标，可在从 ARM 和 AVR 等嵌入式平台到 PC 和 iPad、iPhone 甚至 XBox 的广泛目标上运行。

本文重点介绍Mbed TLS 库在认证传输模块中用于传输数据的加解密，加密方式采用对称加密算法AES，加密模式是GCM模式，GCM是对该对称加密采用Counter模式，并带有GMAC消息认证码。GCM可以提供对消息的加密和完整性校验，另外，它还可以提供附加消息的完整性校验。在实际应用场景中，有些信息是我们不需要保密，但信息的接收者需要确认它的真实性的，例如源IP，源端口，目的IP，IV，等等。因此，我们可以将这一部分作为附加消息加入到MAC值的计算当中。下面将对应用到mbed TLS库的相关源码进行详细分析。

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.......

二、源码分析

主要源码集中在aes_gcm.c中。

#include "aes_gcm.h"
#include <securec.h>
#include "hks_client.h"
#include "mbedtls/gcm.h"
#include "data_bus_error.h"
#include "os_adapter.h"
static mbedtls_gcm_context g_aesContext;//定义GCM模式的上下文信息结构体
/*
函数功能：产生一个随机的IV值
函数参数：无
函数返回值：随机的IV
详细：
*/
unsigned char* GenerateRandomIv(void)
{
    unsigned char *randomIv = malloc(IV_LEN);//申请保存IV值的空间
    if (randomIv == NULL) {
        return NULL;
    }
    struct hks_blob blob = {HKS_BLOB_TYPE_IV, randomIv, IV_LEN};
    int ret = hks_generate_random(&blob);//产生随机IV值，保存在结构体blob中
    if (ret != 0) {
        SOFTBUS_PRINT("[TRANS] EncryptTransData hks_generate_random fail\n");
        free(randomIv);
        return NULL;
    }
    return randomIv;
}
/*
函数功能：加密要进行传输的数据
函数参数：
    cipherkey：密钥
    plainText：明文首地址
    plainTextSize：明文长度
    cipherText：密文首地址
    cipherTextLen：密文长度
函数返回值：
    成功：返回加密之后的密文长度，会有额外的OVERHEAD_LEN
    失败：返回加密错误码
详细：
*/
int EncryptTransData(const AesGcmCipherKey *cipherkey, const unsigned char* plainText, unsigned int plainTextSize,
    unsigned char* cipherText, unsigned int cipherTextLen)
{
    if ((cipherkey == NULL) || (plainText == NULL) || (plainTextSize == 0) || cipherText == NULL ||
        (cipherTextLen < plainTextSize + OVERHEAD_LEN)) {//健壮性检查
        SOFTBUS_PRINT("[TRANS] EncryptTransData invalid para\n");
        return -DBE_AES_CALC_ERROR;
    }
    int ret;
    unsigned char tagBuf[TAG_LEN] = {0};
    mbedtls_gcm_init(&g_aesContext);//此函数初始化指定的 GCM 上下文，使引用有效，并为mbedtls_gcm_setkey()或mbedtls_gcm_free()准备上下文，该函数不会将 GCM 上下文绑定到特定的密码，也不会设置密钥
    ret = mbedtls_gcm_setkey(&g_aesContext, MBEDTLS_CIPHER_ID_AES, cipherkey->key, cipherkey->keybits);//该函数将 GCM 上下文结构体与密码算法和密钥相关联
    if (ret != 0) {
        mbedtls_gcm_free(&g_aesContext);//此函数清除 GCM 上下文和底层密码子上下文
        return -DBE_AES_CALC_ERROR;
    }
    ret = mbedtls_gcm_crypt_and_tag(&g_aesContext, MBEDTLS_GCM_ENCRYPT, plainTextSize, cipherkey->iv,
        IV_LEN, NULL, 0, plainText, cipherText + IV_LEN, TAG_LEN, tagBuf);//此函数执行缓冲区的 GCM 加密或解密，参数MBEDTLS_GCM_ENCRYPT表示加密模式
    if (ret != 0) {
        mbedtls_gcm_free(&g_aesContext);//此函数清除 GCM 上下文和底层密码子上下文
        return -DBE_AES_CALC_ERROR;
    }
    if (memcpy_s(cipherText, IV_LEN, cipherkey->iv, IV_LEN) != 0) {
        mbedtls_gcm_free(&g_aesContext);//此函数清除 GCM 上下文和底层密码子上下文
        return -DBE_AES_CALC_ERROR;
    }
    if (memcpy_s(cipherText + IV_LEN + plainTextSize, TAG_LEN, tagBuf, TAG_LEN) != 0) {
        mbedtls_gcm_free(&g_aesContext);//此函数清除 GCM 上下文和底层密码子上下文
        return -DBE_AES_CALC_ERROR;
    }
    mbedtls_gcm_free(&g_aesContext);//此函数清除 GCM 上下文和底层密码子上下文
    return (plainTextSize + OVERHEAD_LEN);
}
/*
函数功能：解密传输的密文，应用aes_gcm算法
函数参数：
    cipherkey：密钥
    cipherText：密文
    cipherTextSize：密文长度
    plain：明文
    plainLen：预计明文长度
函数返回值：
    成功：返回实际明文长度
    失败：返回解密错误码
详细：
*/
int DecryptTransData(const AesGcmCipherKey *cipherkey, const unsigned char* cipherText, unsigned int cipherTextSize,
    unsigned char* plain, unsigned int plainLen)
{
    if ((cipherkey == NULL) || (cipherText == NULL) || (cipherTextSize <= OVERHEAD_LEN) || plain == NULL ||
        (plainLen < cipherTextSize - OVERHEAD_LEN)) {//健壮性检查
        SOFTBUS_PRINT("[TRANS] DecryptTransData invalid para\n");
        return -DBE_AES_CALC_ERROR;
    }
    mbedtls_gcm_init(&g_aesContext);//初始化aes加密上下文信息结构体
    int ret = mbedtls_gcm_setkey(&g_aesContext, MBEDTLS_CIPHER_ID_AES, cipherkey->key, cipherkey->keybits);//该函数将 GCM 上下文结构体与密码算法和密钥相关联
    if (ret != 0) {
        SOFTBUS_PRINT("[TRANS] DecryptTransData mbedtls_gcm_setkey fail\n");
        mbedtls_gcm_free(&g_aesContext);//此函数清除 GCM 上下文和底层密码子上下文
        return -DBE_AES_CALC_ERROR;
    }
    int actualPlainLen = cipherTextSize - OVERHEAD_LEN;
    ret = mbedtls_gcm_auth_decrypt(&g_aesContext, cipherTextSize - OVERHEAD_LEN,
        cipherkey->iv, IV_LEN, NULL, 0, cipherText + actualPlainLen + IV_LEN, TAG_LEN, cipherText + IV_LEN, plain);//此函数执行 GCM 验证的缓冲区解密，解密后的内容存储在plain中。对于解密，输出缓冲区不能与输入缓冲区相同。如果缓冲区重叠，则输出缓冲区必须落后于输入缓冲区至少 8 个字节
    if (ret != 0) {
        SOFTBUS_PRINT("[TRANS] DecryptTransData mbedtls_gcm_auth_decrypt fail\n");
        mbedtls_gcm_free(&g_aesContext);//此函数清除 GCM 上下文和底层密码子上下文
        return -DBE_AES_CALC_ERROR;
    }
    mbedtls_gcm_free(&g_aesContext);//此函数清除 GCM 上下文和底层密码子上下文
    return actualPlainLen;
}