使用CPU硬件指令对AES加解密进行加速

概述

AES是世界上最安全、使用广泛的加密算法，很多安全合规要求里面都明确要求使用AES算法，只是相对于3des、rc4等加密算法，速度慢了很多，幸好有了AES-NI，这是针对AES加密算法的硬件加解密CPU指令集。

AES-NI的全称是：Advanced Encryption Standard New Instructions。指令集说明

更多详细的信息可以参考Intel发布的企业安全AES-NI白皮书，本文重点在目前阿里公有云上的主流机型上进行性能测试对比，用于RDS的SSL（链路加密）和TDE（透明加密）特性中。

支持AES-NI指令集的Intel CPU列表，基本上2010年之后的Intel CPU都支持，另外AMD和ARM的一些型号也支持。

支持AES-NI的安全和加密软件库

绝大多数现代编译器都支持AES-NI指令。常见的支持AES-NI的安全加密软件库：

• Cryptography API: Next Generation (CNG) (requires Windows)[27]
• Linux's Crypto API
• Java 7 HotSpot
• Network Security Services (NSS) version 3.13 and above28
• Solaris Cryptographic Framework[29] on Solaris 10 onwards
• FreeBSD's OpenCrypto API (aesni(4) driver)[30]
• OpenSSL 1.0.1 and above[31]
• FLAM®/FLUC® 5.1.08 (released 2015-08-24) and above

查看CPU信息

测试的目标机器是D13机型，具体CPU配置如下：

#lscpu
Architecture:          x86_64
CPU op-mode(s):        32-bit, 64-bit
Byte Order:            Little Endian
CPU(s):                24
On-line CPU(s) list:   0-23
Thread(s) per core:    2
Core(s) per socket:    6
CPU socket(s):         2
NUMA node(s):          1
Vendor ID:             GenuineIntel
CPU family:            6
Model:                 45
Stepping:              7
CPU MHz:               2194.853
BogoMIPS:              4388.87
Virtualization:        VT-x
L1d cache:             32K
L1i cache:             32K
L2 cache:              256K
L3 cache:              15360K
NUMA node0 CPU(s):     0-23

检查系统是否支持AES-NI指令

D13机型24个核都开启了AES-NI

#grep -m1 -o aes /proc/cpuinfo
aes
#grep -o aes /proc/cpuinfo|wc -l
24

openssl是否支持AES-NI指令

openssl从1.0.0版本之后开始支持aesni engine，但是在1.0.0版本中必须在代码中显式指定engine，如下：

EVP_CIPHER_CTX ctx;
EVP_CIPHER_CTX_init(&ctx);
ENGINE_load_builtin_engines();
ENGINE* engine=ENGINE_by_id("aesni");
if(engine==NULL){
    printf("aesni not found\n");
}
EVP_EncryptInit_ex(&ctx,EVP_aes_128_cbc(),engine,test_key_128,test_init_vector);
int out;
EVP_CipherUpdate(&ctx,output,&out, test_plain_text, inputlen); 

openssl 1.0.1版本后，将这个engine去掉了，变成运行时期自动检测是否支持AES-NI，如下:

extern unsigned int OPENSSL_ia32cap_P[2]; 

#define AESNI_CAPABLE (OPENSSL_ia32cap_P[1]&(1<<(57-32)))

const EVP_CIPHER *EVP_aes_128_cbc(void) { return AESNI_CAPABLE?&aesni_128_cbc:&aes_128_cbc; }

只有使用openssl EVP的接口定义函数才能够使用AES-NI。简单介绍一下EVP，EVP函数对openssl的底层加解密函数进行了封装，提供高层的通用接口，其中一大好处就是底层的加解密套件可以更换，而调用方无需做代码更改。

测试方法

• 开启AES-NI指令加速情况下测试aes-256-cbc

openssl speed -elapsed -evp aes-256-cbc

• 关闭AES-NI指令加速的情况下测试aes-256-cbc的性能

OPENSSL_ia32cap="~0x200000200000000" openssl speed -elapsed -evp aes-256-cbc

在D13机型中不同密钥长度是否开启AES-NI的加解密性能测试数据

测试值的含义是单个CPU每秒处理的数据量。



结论：

• 密钥长度越长，处理速度越慢
• AES-NI开启后的处理性能提升2～3倍