POWER8 核心加密 介绍如何使用 AES 指令更新

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现在让我们来了解如何使用 POWER8 向量和 AES 指令来创建扩展密钥。
首先，我们需要看看 AES 指令。如前面所述，P8 随带了 5 条 AES                                        指令：vcipher、vcipherlast、vncipher、vncipherlast                                和 vsbox。让我们重点关注前两个指令：

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vcipher VRT,VRA,VRB     State ← VR[VRA]     RoundKey ← VR[VRB]     vtemp1 ← SubBytes(State)     vtemp2 ← ShiftRows(vtemp1)     vtemp3 ← MixColumns(vtemp2)     VR[VRT] ← vtemp3 ^ RoundKey

State 是本轮中的密码文本，甚至是 AES 的第一步中的纯文本。这两个值都是 16 字节或一个 AES                                        块大小。RoundKey，顾名思义，是本轮中的密钥。因为 VMX 向量是 16                                字节，所有它们可以处理完整大小的轮次密钥和密文。

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vcipherlast VRT,VRA,VRB     State ←VR[VRA]     RoundKey ← VR[VRB]     vtemp1 ← SubBytes(State)     vtemp2 ← ShiftRows(vtemp1)     VR[VRT] ← vtemp2 ^ RoundKey

vcipherlast 与 vcipher 相同，除了它少一个步骤，即                                         MixColumns。
vncipher 和 vncipherlast 与 vcipher 和                                        vcipherlast 完全相同，除了它们使用了反向步骤，而且是用于解密的。
Power8 没有用于 Key Expand 的特定指令。但 vcipherlast，通过一些额外的步骤，可用来实现 Key Expand                                操作。
下列步骤显示了一个如何使用 vcipherlast 来执行 Expand Key 操作的示例：
在此示例中，rcon 指针已经加载到一个向量中，您可能想要查看 vmx 加密驱动程序来获得更多信息 [5]。此外还要注意的是，在                                Power PC Assembly 代码中，寄存器是通过数字来引用的，而不是通过名称来引用的。例如，vperm 3,1,1,5 采用 vr3 作为寄存器结果，并使用                                vr1 和 vr5 作为参数。有关的更多详细信息，请参见 [4]。

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/** * vr1 is the first key =  0xac 0x2b 0x3c 0xdd 0xee 0x04 0x11 0x44 0xa1 0x4b 0x5c 0xd1 0x6a 0xb9 0x1c 0xdd * vr5 is a mask to rotate a word in applied for all four words in our key. * vr5 = 0x0d0e0f0c 0d0e0f0c 0d0e0f0c 0d0e0f0c * vr3 is the key in use destination * vr4 is the first rcon loaded: 01 00 00 00 01 00 00 00 01 00 00 00    * 01 00 00 00 **/ Loop128: 1   vperm 3,1,1,5    2   vsldoi 6,0,1,12 3   vcipherlast 3,3,4    4   vxor 1,1,6 5   vsldoi 6,0,6,12 6   vxor 1,1,6 7   vsldoi 6,0,6,12 8   vxor 1,1,6 9   vadduwm 4,4,4 10  vxor 1,1,3 11  bdnz Loop128

第 1 行对密钥应用了一个掩码。在这里，vperm 指令 vr3 后面将会是：

1	0xb91cdd6a  0xb91cdd6a 0xb91cdd6a 0xb91cdd6a

第 2 行会导致：

1	0x0000000ac2b3cddee041144a14b5cd1

第 3 行调用 vcipherlast 来执行 SubBytes、 ShiftRows 和 xor Rcon(n)。通过在 Power ISA                                2.07B [4] 中定义 ShiftRows 函数，ShiftRows                                在应用于此向量中时不起作用。在这个特定的场景中，它只执行 SubBytes 和 xor Rcon(n)。换句话说，它将生成第一个单词 Z 或 Z1。因此，在                                        vcipherlast 后面，我们有：
Z1: 0x579cc102 579cc102 579cc102 579cc102
第 4 到 8 行执行密钥扩展算法中密钥单词生成后面的公式。

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W4 = (W0 xor Z1) W5 = (W1 xor W4) W6 = (W2 xor W5) W7 = (W3 xor W6)

这可以重写为：

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W4' = W0 W5' = W1 xor W0 W6' = W2 xor W1 or W0 W7' = W3 xor W2 Xor W1 xor W0

其中的 ' 意味着在 Z1 之前应用了一个临时单词。
第 4 至 8 行的详细操作如下：

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W0         W1        W2         W3 vr1 0xac2b3cdd 0xee041144 0xa14b5cd1 0x6ab91cdd          W0         W1         W2        w3 vr6 0x00000000 0xac2b3cdd 0xee041144 0xa14b5cd1     -------------------------------------------           W4'       W5'      temp-W6'  temp-W7' vr1 0xac2b3cdd 0x422f2d99 0x4f4f4d95 0xcbf2400c                                W0          W1 vr6 0x00000000 0x00000000 0xac2b3cdd 0xee041144     -------------------------------------------         W4'        W5'        W6'     temp-W7' vr1 0xac2b3cdd 0x422f2d99 0xe3647148 0x25f65148                                           W0 vr6 0x00000000 0x00000000 0x00000000 0xac2b3cdd     -------------------------------------------         W4'       W5'        W6'        W7' vr1 0xac2b3cdd 0x422f2d99 0xe3647148 0x89dd6d95

第 9 行为下一轮添加了 rcon：

1	vr4 02 00 00 00 02 00 00 00 02 00 00 00 02 00 00 00

最后，第 10 行应用 Z1 单词生成了被扩展的第一个密钥。

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W4'       W5'        W6'        W7' vr1 0xac2b3cdd 0x422f2d99 0xe3647148 0x89dd6d95           Z1        Z1         Z1         Z1 vr3 0x579cc102 0x579cc102 0x579cc102 0x579cc102     -------------------------------------------           W4        W5      W6       W7 vr1 0xfbb7fddf 0x15b3ec9b 0xb4f8b04a 0xde41ac97

第 11 行跳回到了循环的开头处，根据所需的轮次数重复前面的所有步骤。
与 Key Expand 相比，AES 轮次非常简单，因为它们只需要扩展密钥以及加密或解密数据。
以下是一个演示了如何使用核心指令的简单示例。要获得更准确的代码示例，请参阅 附录 A。

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/** * vr0 is our state or the vector register where our * plaintext/point address resides. * vr1 is the key0 provided by the user or first key * vr2 is the second generated by expand key * vr3 is the third and so on till vr11 **/ 1   vxor 0,0,1 2   vcipher 0,0,2 3   vcipher 0,0,3 4   vcipher 0,0,4 5   vcipher 0,0,5      ... 11  vcipherlast 0,0,11

在第 1 行，key0 被添加到 AES 的初始状态。
第 2 行是具有 key1 的 AES 的第一轮。
第 3 行是 AES 的第二轮，依此类推。
第 11 是具有 last key10 的 AES 的最后一轮。