AES 实施速度

我已经编写了 AES 的 C 实现，并尝试使其尽可能快（我刚刚开始编程并接受 IT 培训）。 到目前为止，我已经实现了约 600% 的速度提升，但仍然非常慢。为了将我的 AES 实现与我在 Linux 终端中使用的“openssl speed”命令进行比较。该实现在 3 秒内加密了大约 36 977 043 个块（16 字节）。我比那有点糟糕的速度慢大约 25 倍（36 个字节需要 72 秒）。我对两件事感到好奇。

1. 什么是一个好的目标，要达到多快的速度才是一个现实的目标。
2. 为什么我的代码这么慢，我该如何改变它。

到我的代码： 我尝试省略一些函数，以便看看没有它们时代码的速度有多快。 完整代码耗时 72 秒。

• 没有 Mixcolumns 14 秒#这里是一个大问题
• 无换档 67 秒
• 无子字节 61 秒

我的加密函数：

uint32_t * encrypt(uint32_t * expkey,uint32_t state[4]){

    uint32_t temp[4];

    state[0] = state[0] ^ expkey[0];
    state[1] = state[1] ^ expkey[1];
    state[2] = state[2] ^ expkey[2];
    state[3] = state[3] ^ expkey[3];
    
    for(int round = 1; round < Nr; round++){
        
        // Subbytes
        for (int c = 0; c < 4;c++){
            temp[c] = ((sbox[state[c] >> 24 & 0xFF]) << 24 ) + ((sbox[state[c] >> 16 & 0xFF]) << 16 ) + ((sbox[state[c] >> 8 & 0xFF]) << 8 ) + (sbox[state[c] & 0xFF]);
        }
        // Shiftrows
        state[0] = (((temp[0] >> 24) & 0xFF) << 24) + (((temp[1] >> 16) & 0xFF) << 16) + (((temp[2] >> 8) & 0xFF) << 8) + (temp[3] & 0xFF);
        state[1] = (((temp[1] >> 24) & 0xFF) << 24) + (((temp[2] >> 16) & 0xFF) << 16) + (((temp[3] >> 8) & 0xFF) << 8) + (temp[0] & 0xFF);
        state[2] = (((temp[2] >> 24) & 0xFF) << 24) + (((temp[3] >> 16) & 0xFF) << 16) + (((temp[0] >> 8) & 0xFF) << 8) + (temp[1] & 0xFF);
        state[3] = (((temp[3] >> 24) & 0xFF) << 24) + (((temp[0] >> 16) & 0xFF) << 16) + (((temp[1] >> 8) & 0xFF) << 8) + (temp[2] & 0xFF);
        
        // Mixcolums
        for (int c = 0; c < 4;c++){
            state[c] = 
                ((xtime((state[c] >> 24) & 0xFF) ^ xtime3((state[c] >> 16) & 0xFF) ^ ((state[c] >> 8) & 0xFF) ^ (state[c] & 0xFF)) << 24) +
                ((((state[c] >> 24) & 0xFF) ^ xtime((state[c] >> 16) & 0xFF) ^ xtime3((state[c] >> 8) & 0xFF) ^ (state[c] & 0xFF)) << 16) + 
                ((((state[c] >> 24) & 0xFF) ^ ((state[c] >> 16) & 0xFF) ^ xtime((state[c] >> 8) & 0xFF) ^ xtime3(state[c] & 0xFF)) << 8 ) +
                (xtime3((state[c] >> 24) & 0xFF) ^ ((state[c] >> 16) & 0xFF) ^ ((state[c] >> 8) & 0xFF) ^ xtime(state[c] & 0xFF));       
        
        }
        // Add Key
        state[0] = state[0] ^ expkey[round * 4];
        state[1] = state[1] ^ expkey[round * 4 + 1];
        state[2] = state[2] ^ expkey[round * 4 + 2];
        state[3] = state[3] ^ expkey[round * 4 + 3];
        
        }
        // Last Subbytes
        for (int c = 0; c < 4;c++){
            temp[c] = ((sbox[state[c] >> 24 & 0xFF]) << 24 ) + ((sbox[state[c] >> 16 & 0xFF]) << 16 ) + ((sbox[state[c] >> 8 & 0xFF]) << 8 ) + (sbox[state[c] & 0xFF]);
        }
        */
        // Last Shiftrow
        state[0] = (((temp[0] >> 24) & 0xFF) << 24) + (((temp[1] >> 16) & 0xFF) << 16) + (((temp[2] >> 8) & 0xFF) << 8) + (temp[3] & 0xFF);
        state[1] = (((temp[1] >> 24) & 0xFF) << 24) + (((temp[2] >> 16) & 0xFF) << 16) + (((temp[3] >> 8) & 0xFF) << 8) + (temp[0] & 0xFF);
        state[2] = (((temp[2] >> 24) & 0xFF) << 24) + (((temp[3] >> 16) & 0xFF) << 16) + (((temp[0] >> 8) & 0xFF) << 8) + (temp[1] & 0xFF);
        state[3] = (((temp[3] >> 24) & 0xFF) << 24) + (((temp[0] >> 16) & 0xFF) << 16) + (((temp[1] >> 8) & 0xFF) << 8) + (temp[2] & 0xFF);
        
        // Last Add Key
        state[0] = state[0] ^ expkey[Nr * 4];
        state[1] = state[1] ^ expkey[Nr * 4 + 1];
        state[2] = state[2] ^ expkey[Nr * 4 + 2];
        state[3] = state[3] ^ expkey[Nr * 4 + 3];
        
        return state;
}

和 xtime 函数：

uint8_t xtime(uint8_t x){
    return (x << 1) ^ (0x11b & -(x >> 7));
}

我期待所有的技巧和改进。

OpenSSL 在可用的情况下使用 AES-NI。

openssl speed -evp aes-128-cbc

和输出

The 'numbers' are in 1000s of bytes per second processed.
type             16 bytes     64 bytes    256 bytes   1024 bytes   8192 bytes  16384 bytes
aes-128-cbc    531549.19k   969335.21k  1045437.10k  1066826.75k  1054665.39k  1052120.41k

由于您没有使用 AES-NI，您需要将其与软件版本进行比较

 OPENSSL_ia32cap=”~0x200000200000000″ openssl speed -elapsed -evp aes-128-cbc

The 'numbers' are in 1000s of bytes per second processed.
type             16 bytes     64 bytes    256 bytes   1024 bytes   8192 bytes  16384 bytes
aes-128-cbc    143802.75k   161369.51k   165049.17k   166054.57k   166262.10k   166461.44k

如果我们比较最后一列，您会发现 AES-NI 比 OpenSSL 软件版本快约 6.3 倍。这意味着你的速度比软件版本慢大约 4 倍。

在许多情况下，编译器优化参数也会影响速度。查看你的编译器手册，如果你使用的是 GCC 那么它们是-O[0..3]

关于代码；

如果您查看 OpenSSL 的 AES 代码，您会发现它们使用预先计算的表 https://github.com/openssl/openssl/blob/master/crypto/aes/aes_core.c这是一种非常常见的技术。

The Subytes, Shiftrows and MixColums都变成了查表。速度差异就是这些。并注意表查找很容易受到缓存定时攻击 https://cr.yp.to/antiforgery/cachetiming-20050414.pdf.