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 APIJava 7 HotSpotNetwork Security Services (NSS) version 3.13 and above28 Solaris Cryptographic Framework[29] on Solaris 10 onwardsFreeBSD'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。

AES-NI enabledtype16 bytes64 bytes256 bytes1024 bytes8192 bytesONaes-256-cbc282.49MB296.7MB300.08MB301.0MB301.21MBOFFaes-256-cbc136.59MB153.13MB156.37MB158.5MB159.37MBONaes-128-cbc385.65MB411.25MB418.37MB420.14MB420.62MBOFFaes-128-cbc180.44MB209.81MB217.87MB220.55MB222.4MB



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 相关资源：AES解密硬件实现