使用ARM的Neon技术实现SHA256算法加速

news2025/1/11 14:04:52

需求

假设一款Armv8-A架构的芯片，由于没有硬件密码算法引擎，如何实现对SHA256算法加速。

方案

Arm Neon 技术，一种⾼级 SIMD（Single Instruction Multiple Data，一条指令操作多个数据）架构扩展，Armv8‑A 和 Armv8-R 架构均支持 Neon 技术扩展。使用 Neon 技术有多种方法：

支持 Neon 的开源库，例如 Arm Compute Library
编译器的自动矢量化特性可以利用 Neon 技术自动优化你的代码
Neon intrinsics内建函数，编译器用相应的 Neon 指令进行了封装
对于经验丰富的程序员来说，为了获得极佳的性能，手动编写 Neon 汇编也是一种方法

加密扩展CE（Cryptographic Extension）是 Neon 其中的一种指令集，用于实现AES加解密和SHA哈希的加速运算。加速SHA256算法的Neon指令包括如下四种：

指令	功能
SHA256H	SHA256 hash update (part 1)
SHA256H2	SHA256 hash update (part 2)
SHA256SU0	SHA256 schedule update 0
SHA256SU1	SHA256 schedule update 1

这里我们采用 Neon intrinsics 实现 SHA256 算法的加速，SHA256 Intrinsics 指令如下：

SHA256 Intrinsics

本方案需要对SHA256算法原理，Neon技术等有一定的了解，详细可参考本公众号/博客的其他文章。

实现

sha256.h

SHA256算法需要实现分片哈希和一次性哈希的功能，包括如下函数：

函数	功能
sha256_starts	SHA256开始，创建上下文
sha256_update	SHA256更新，输入消息数据
sha256_finish	SHA256结束，得到摘要值
sha256_compute	计算一块数据的SHA256摘要值

上面前三个函数是分片计算哈希，最后一个函数是一次性计算哈希。新建一个sha256.h文件，代码如下：

#ifndef _SHA256_H_
#define _SHA256_H_

#include <stdint.h>
#include <stddef.h>

#ifdef __cplusplus
extern "C"{
   
#endif

struct sha256_ctx
{
   
    uint32_t total[2];		/* 处理过的数据长度 */
    uint32_t state[8];      /* 中间摘要状态 */
    uint8_t buffer[64];     /* 正在处理的数据块 */
};
typedef struct sha256_ctx sha256_ctx_t;

/**
 ***********************************************************************************************************************
 * @brief           starts a sha256 context
 *
 * @param[in]       ctx: the context
 *
 * @return          0: success, other: fail
 ***********************************************************************************************************************
 */
int sha256_starts(sha256_ctx_t *ctx);

/**
 ***********************************************************************************************************************
 * @brief           this function feeds an input buffer into an ongoing sha256 context
 *
 * @param[in]       ctx: the context
 * @param[in]       input: the buffer holding the input data
 * @param[in]       ilen: the length of the input data
 *
 * @return          0: success, other: fail
 ***********************************************************************************************************************
 */
int sha256_update(sha256_ctx_t *ctx, const uint8_t *input, size_t ilen);

/**
 ***********************************************************************************************************************
 * @brief           the finalization function
 *
 * @param[in]       ctx: the context
 * @param[out]      output: the buffer holding the output data
 *
 * @return          0: success, other: fail
 ***********************************************************************************************************************
 */
int sha256_finish(sha256_ctx_t *ctx, uint8_t output[32]);

/**
 ***********************************************************************************************************************
 * @brief           compute the sha256 checksum of a buffer
 *
 * @param[in]       input: the buffer holding the input data
 * @param[in]       ilen: the length of the input data
 * @param[out]      output: the buffer holding the output data
 *
 * @return          0: success, other: fail
 ***********************************************************************************************************************
 */
int sha256_compute(const uint8_t *input, size_t ilen, uint8_t output[32]);

#ifdef __cplusplus
}
#endif

#endif  /* _SHA256_H_ */

其中定义了一个sha256上下文结构体，用于分片哈希计算，参数如下：

total：记录处理过的数据长度
state：记录中间摘要状态值
buffer：存放正在处理的数据块

sha256.c

新建一个sha256.c文件，需要实现sha256.h中定义的四个函数。

sha256_starts

sha256_starts函数主要是创建上下文，并设置初始的哈希值。

int sha256_starts(sha256_ctx_t *ctx)
{
   
    memset(ctx, 0, sizeof(sha256_ctx_t));

    /* 清零 */
    ctx->total[0] = 0;
    ctx->total[1] = 0;
    /* 初始哈希值 */
    ctx->state[0] = 0x6a09e667;
    ctx->state[1] = 0xbb67ae85;
    ctx->state[2] = 0x3c6ef372;
    ctx->state[3] = 0xa54ff53a;
    ctx->state[4] = 0x510e527f;
    ctx->state[5] = 0x9b05688c;
    ctx->state[6] = 0x1f83d9ab;
    ctx->state[7] = 0x5be0cd19;

    return 0;
}

sha256_update

sha256_update函数主要是进行哈希更新计算，由于sha256内部每次处理512比特（64字节），因此需要保证每次哈希更新计算的长度为512比特的倍数。

int sha256_update(sha256_ctx_t *ctx, const uint8_t *input, size_t ilen)
{
   
    size_t fill;
    uint32_t left;
    size_t block_num;
    size_t block_len;

    if (ilen == 0) {
   
        return 0;
    }

    /* 上次剩余的消息长度 */
    left = ctx->total[0] & 0x3F;
    /* 需要填充fill长度消息，sha256每次处理512比特(即64字节) */
    fill = 64 - left;

    /* 更新已处理的消息长度 */
    ctx->total[0] += (uint32_t)ilen;
    ctx->total[0] &= 0xFFFFFFFF;
    /* 产生进位，total[1]+1 */
    if (ctx->total[0] < (uint32_t)ilen) {
   
        ctx->total[1]++;
    }

    /* 先处理上一次剩余消息 */
    if (left && ilen >= fill) {
   
        /* 拷贝fill长度消息，使其为64字节 */
        memcpy((void *)(ctx->buffer + left), input, fill);
        sha256_internal_process(ctx->state, ctx->buffer, 1);
        input += fill;
        ilen  -= fill;
        left = 0;
    }

    /* 再处理输入消息 */
    block_num = ilen >> 6;
    block_len = block_num << 6;
    if (block_num) {
   
        sha256_internal_process(ctx->state, input, block_num);
        input += block_len;
        ilen -= block_len;
    }

    /* 剩余消息小于64字节，暂存 */
    if (ilen > 0) {
   
        memcpy((void *)(ctx->buffer + left), input, ilen);
    }

    return 0;    
}

首先进行消息长度处理，与本次输入的消息长度相加
如果上次有消息数据未处理，先要拷贝填充至64字节，进行哈希计算
然后对本次的剩余消息按块计算哈希
最后如果本次最后一个块不足64字节，需要进行数据暂存

其中sha256_internal_process是sha256的核心部分，实现内部的哈希调度计算，实现见下一节。

sha256_finish

sha256_finish函数是完成哈希计算，得到消息的摘要值。

/* 双字->4字节，大端模式 */
#ifndef PUT_UINT32_BE
#define PUT_UINT32_BE( n, data, offset )                        \
{
                                                                    \
    ( data )[( offset )    ] = (uint8_t) ( (n) >> 24 );         \
    ( data )[( offset ) + 1] = (uint8_t) ( (n) >> 16 );         \
    ( data )[( offset ) + 2] = (uint8_t) ( (n) >> 8  );         \
    ( data )[( offset ) + 3] = (u