AES指令集

高级加密标准指令集现已经集成到许多处理器中。应用程序执行高级加密标准（AES）时，使用该指令集提高加密和解密的速度（以及对侧信道攻击的抵抗能力）。

x86架构

高级加密标准指令集（或称英特尔高级加密标准新指令，简称AES-NI）是一个x86指令集架构的扩展，用于Intel和AMD微处理器，由Intel在2008年3月提出。[1]该指令集的目的是改进应用程序使用高级加密标准（AES）执行加密和解密的速度。

指令

指令 描述[2]
AESENC 执行一轮AES加密流
AESENCLAST 执行最后一轮AES加密流
AESDEC 执行一轮AES解密流
AESDECLAST 执行最后一轮AES解密流
AESKEYGENASSIST 协助生成AES轮回密钥
AESIMC 协助AES逆列混合
PCLMULQDQ 无进位乘法（CLMUL（英语：CLMUL instruction set））[3]

Intel

Intel支持AES-NI的处理器[4]：

  • Intel Westmere架构处理器，具体如下：
    • Intel Westmere-EP (Xeon 56XX)（也称Gulftown至强5600系列DP服务器型号）处理器。
    • Intel Clarkdale处理器（酷睿i3、奔腾和赛扬除外）。
    • Intel Arrandale处理器（赛扬、奔腾、酷睿i3、酷睿i5-4XXM除外）。
  • Intel Sandy Bridge处理器。
    • 桌面：全部，奔腾、赛扬、酷睿i3除外[5][6]
    • 移动：酷睿i7和酷睿i5全部。一些供应商发售的BIOS配置已禁用该扩展[7]，需要更新BIOS才能启用它。[8]
  • Intel Ivy Bridge处理器
    • 仅所有i5、i7、至强和i3-2115C[9]。
  • Intel Haswell处理器。（i3-4000M[10]、奔腾和赛扬除外）
  • Intel Skylake（和以后）处理器。

AMD

  • AMD
    • AMD Ryzen处理器。
    • AMD Bulldozer处理器。[11]
    • AMD Piledriver处理器。
    • AMD Steamroller处理器。
    • AMD Jaguar处理器。
    • AMD Puma（英语：Puma (microarchitecture)）处理器。

其他架构中的硬件加速

在最新的SPARC处理器（T4、T5、M5及之后）和最新的ARM处理器中也有非特权的处理器指令提供AES支持。2011年推出的SPARC T4处理器有用户级指令实现AES轮回。[12]这些指令补充了更高级别的加密命令。2011年宣布的ARMv8-A处理器架构也有指令实现AES轮回，这包括ARM Cortex-A53和A57，但不包括以前的v7处理器（如Cortex A5、7、8、9、11、15）。[13]2012年8月，IBM宣布[14]即将到来的Power7+架构有望提供AES支持。这些架构中的命令不能直接与AES-NI命令兼容，但可实现类似的功能。

IBM z9或更晚的主机处理器支持AES作为单操作码（KM、KMC）AES ECB/CBC指令，使用IBM的CryptoExpress硬件。[15]这些单指令的AES版本比Intel NI更容易使用，但不能被扩展实现为基于AES轮回函数的其他算法，例如Whirlpool散列算法。

x86 CPU的支持

VIA x86 CPU、AMD Geode和Marvell Kirkwood（ARM，mv_cesa在Linux中）使用基于驱动程序的AES加速处理（另见Crypto API (Linux)（英语：Crypto API (Linux)））。下列产品支持AES硬件加速，虽然不支持AES-NI指令集：

  • AMD Geode LX处理器。[16]
  • VIA
    • VIA PadLock。[17] · [18]
      • VIA C3 Nehemiah C5P (Eden-N)处理器。[19]
      • VIA C7 Esther C5J处理器。[20]

ARM架构

  • Allwinner
    • 使用“安全系统”的A10和A20。[21]
  • Broadcom
    • 使用“安全处理器”的BCM5801/BCM5805/BCM5820。[18]
  • 高通
    • Snapdragon 805（和以后）。
  • 三星电子
    • Exynos 3系列（和以后）。

其他架构

性能

在《AES-NI 性能分析》中，Patrick Schmid和Achim Roos 指出：“...少数已使用英特尔 AES-NI 进行优化的应用程序表现出了傲人成绩”。 [23] 一次使用Crypto++库执行的性能分析显示，相比没有加速的Pentium 4, AES/GCM（英语：Galois/Counter_Mode）的吞吐量从大约每字节28.0周期显著提升至每字节3.5周期。 [24][25]

软件支持

大多数现代编译器能够利用AES指令。

许多安全和加密软件支持AES指令集，包括下列核心基础设施：

  • Cryptography API: Next Generation (CNG)（Windows）[26]
  • Linux的Crypto API（英语：Crypto API (Linux)）
  • Java 7 HotSpot
  • Network Security Services（NSS）3.13及更高版本 [27]（被Firefox和Google Chrome使用）
  • Solaris Cryptographic Framework（英语：Solaris Cryptographic Framework）[28]从Solaris 10起。
  • FreeBSD的OpenCrypto API（aesni(4) 驱动程序）[29]
  • OpenSSL 1.0.1及以上[30]
  • FLAM®/FLUC®（页面存档备份，存于互联网档案馆） 5.1.08（2015-08-24发布）及以上

参考

参考资料

  1. ^ Intel Software Network. Intel. [2008-04-05]. （原始内容存档于2008-04-07）. 
  2. ^ Shay Gueron. Intel Advanced Encryption Standard (AES) Instruction Set White Paper. Intel. 2010 [2012-09-20]. （原始内容存档于2012-10-29）. 
  3. ^ Carry-Less Multiplication. Intel. [2016-05-14]. （原始内容存档于2016-04-25）. 
  4. ^ Intel® Product Specification Advanced Search. [2019-03-22]. （原始内容存档于2019-09-18）. 
  5. ^ AnandTech - The Sandy Bridge Review: Intel Core i7-2600K, i5-2500K and Core i3-2100 Tested. [2016-05-14]. （原始内容存档于2015-04-24）. 
  6. ^ Compare Intel® Products. [2016-05-14]. （原始内容存档于2016-04-25）. 
  7. ^ AES-NI support in TrueCrypt (Sandy Bridge problem). [2016-05-14]. （原始内容存档于2014-08-08）. 
  8. ^ Some products can support AES New Instructions with a Processor Configuration update, in particular, i7-2630QM/i7-2635QM, i7-2670QM/i7-2675QM, i5-2430M/i5-2435M, i5-2410M/i5-2415M. Please contact OEM for the BIOS that includes the latest Processor configuration update.. [2016-05-14]. （原始内容存档于2011-08-13）. 
  9. ^ 存档副本. [2016-05-14]. （原始内容存档于2016-03-22）. 
  10. ^ 存档副本. [2016-05-14]. （原始内容存档于2017-09-04）. 
  11. ^ Following Instructions. AMD. November 22, 2010 [2011-01-04]. （原始内容存档于2010-11-26）. 
  12. ^ Dan Anderson. SPARC T4 OpenSSL Engine. Oracle. 2011 [2012-09-20]. （原始内容存档于2012-11-03）. 
  13. ^ Richard Grisenthwaite. ARMv8-A Technology Preview (PDF). ARM. 2011 [2012-09-20]. （原始内容 (PDF)存档于2018-06-10）. 
  14. ^ Timothy Prickett Morgan. All the sauce on Big Blue's hot chip: More on Power7+. The Register. 2012 [2012-09-20]. （原始内容存档于2012-08-24）. 
  15. ^ IBM System z10 cryptography. IBM. [2014-01-27]. （原始内容存档于2014-02-01）. 
  16. ^ AMD Geode™ LX Processor Family Technical Specifications. AMD. [2016-05-14]. （原始内容存档于2014-01-30）. 
  17. ^ VIA Padlock Security Engine. VIA. [2011-11-14]. （原始内容存档于2011-05-15）. 
  18. ^ 18.0 18.1 Cryptographic Hardware Accelerators （页面存档备份，存于互联网档案馆） on OpenWRT.org
  19. ^ VIA Eden-N Processors. VIA. [2011-11-14]. （原始内容存档于2011-11-11）. 
  20. ^ VIA C7 Processors. VIA. [2011-11-14]. （原始内容存档于2007-04-19）. 
  21. ^ Security System driver status. [2016-05-14]. （原始内容存档于2016-05-14）. 
  22. ^ Using the XMEGA built-in AES accelerator (PDF). [2014-12-03]. （原始内容存档 (PDF)于2015-09-23）. 
  23. ^ P. Schmid and A. Roos. AES-NI Performance Analyzed. Tom's Hardware. 2010 [2010-08-10]. 
  24. ^ T. Krovetz, W. Dai. How to get fast AES calls?. Crypto++ user group. 2010 [2010-08-11]. （原始内容存档于2012-11-09）. 
  25. ^ Crypto++ 5.6.0 Pentium 4 Benchmarks. Crypto++ Website. 2009 [2010-08-10]. （原始内容存档于2010-09-19）. 
  26. ^ Intel Advanced Encryption Standard Instructions (AES-NI). Intel. March 2, 2010 [2010-07-11]. （原始内容存档于2010-07-07）. 
  27. ^ AES-NI enhancements to NSS on Sandy Bridge systems. 2012-05-02 [2012-11-25]. （原始内容存档于2014-04-13）. 
  28. ^ System Administration Guide: Security Services, Chapter 13 Solaris Cryptographic Framework (Overview). Oracle. September 2010 [2012-11-27]. （原始内容存档于2012-02-07）. 
  29. ^ FreeBSD 8.2 Release Notes. FreeBSD.org. 2011-02-24 [2011-12-18]. （原始内容存档于2011-04-12）. 
  30. ^ OpenSSL: CVS Web Interface. [2020-12-07]. （原始内容存档于2012-07-07）. 

外部链接