【微五科技CF3310开发板试用体验】利用硬件加密功能，搞定串口加密通讯

CF3310开发板是国产首创RISC-V安全微控制器，从官方资料可以了解到其所支持的安全功能：

其在硬件上，对加密功能进行了针对性的加强：

并在硬件级别提供了多种加密算法：

在经过学习官方资料包中提供的demo，以及经过官方技术人员手把手的指导，结合自己所了解的Python加密知识，实现了串口加密通信。

这篇分享中，演示的是从开发板发送经过加密处理的数据；

然后在上位机上，接收并解密对应的数据。

在开始之前，请先阅读我的上一篇分享 【CF3310开发板的串口使用】 ，了解串口的使用。

可以直接使用跳线帽，按照如图所示短接对应的引脚，这样Type-C口连接到电脑后，就能直接使用串口工具连接其对应的串口进行调试了：

然后，我选择的加密方式为AES_CBC：

先查看官方演示代码的src/demo/algo_demo.c中AES部分的代码，来了解加密解密的具体处理。

因为要使用AES_CBC加密，所以重点关注其中：aes.type = ALG_ECB、aes.KBits = ALG_KEY128部分的代码：

aes.mode = ALG_ENCRYPT;
	aes.type = ALG_ECB;

	aes.KBits = ALG_KEY128;

	HAL_AES_SetSecurityLevel(&aes);

	if(HAL_AES_Cryptographic(&aes,(uint8_t *)key,(uint8_t *)iv,(uint8_t *)plain,temp,32))
	{
		RETERR();
	}

	if(memcmp((uint8_t *)cipher_aes128_ecb,temp,32) != 0)
	{
		RETERR();
	}

	printf("	通过
");

上述代码中，重点是加密函数：

uint8_t HAL_AES_Cryptographic(AES_ConfigTypeDef *hcfg,uint8_t *pKey,uint8_t *pIV,uint8_t *srcBuffer,uint8_t *destBuffer,uint32_t length)

官方提供的各种加密算法，都通过该函数进行调用，来获取加密后的结果。

其参数分别为：

• hcfg：AES加密定义
• pKey：加密密钥
• pIV：加密偏移向量
• srcBuffer：明文
• destBuffer：加密结果
• length：块大小

最终，实际实现的代码如下：

/**
 * [url=home.php?mod=space&uid=1455510]@file[/url]    uart_sec.c
 * [url=home.php?mod=space&uid=40524]@author[/url]  HonestQiao
 * [url=home.php?mod=space&uid=644434]@version[/url] V1.0
 * @date    2022.6.28
 * [url=home.php?mod=space&uid=2666770]@Brief[/url]   uart sec test
 *
 */
// eport
#include "eport_hal.h"

// uart
#include "uart_hal.h"

// algo
#include "algo_demo.h"
#include "algo_hal.h"
#include "trng_hal.h"

#include "cpm_hal.h"
#include "hal.h"

#include "delay.h"
#include "debug.h"

uint8_t uart_tx_buf[128];
uint8_t uart_rx_buf[128];
UART_HandleTypeDef UART_Handle;

int32_t counter = 0;

void AES_SEND_TEST(void)
{
    AES_ConfigTypeDef aes;

    uint8_t len = 0;
    uint8_t loop = 0;

    uint8_t key[32] = "1234567890654321";   // 加加密密钥
    uint8_t iv[] = "9876543210123456";      // AES_ECB实际不用
    uint8_t plain[32];                      // 非存放明文
    uint8_t temp[32];                       // 临时存放加密后的结果

    len = strlen(key);
    memset(key + len, 0x00, 32 - len);      // 将加密密钥用 0x00 填充到32位
    memset(plain, 0x00, 32);                // 明文清空
    memset(temp, 0x00, 32);                 // 加密结果存放清空

    counter++;                              // 计数器递增
    if (counter > 999999)                   // 最大6位数
    {
        counter = 1;
    }
    sprintf(plain, "%06d", counter);        // 将要被加密的明文信息

    // printf("key=%s len=%d
", key, sizeof(key) / sizeof(key[0]));
    // printf("plain=%s len=%d
", plain, sizeof(plain) / sizeof(plain[0]));

    // 设置AES_ECB128加密
    aes.level = dpa_disable;
    aes.type = ALG_ECB;
    aes.KBits = ALG_KEY128;
    aes.mode = ALG_ENCRYPT;
    HAL_AES_SetSecurityLevel(&aes);

    // 加密处理
    if (HAL_AES_Cryptographic(&aes, (uint8_t *)key, (uint8_t *)iv, (uint8_t *)plain, temp, 32))
    {
        memset(uart_tx_buf, 0x00, 256);
        sprintf(uart_tx_buf, "ERROR:AES_256_ECB crypt error.
");
        HAL_UART_Transmit(&UART_Handle,
                          uart_tx_buf,
                          sizeof(uart_tx_buf) / sizeof(uart_tx_buf[0]),
                          1000000);
        return;
    }

    // 将加密结果转换为需要发送的ASCII字符串
    memset(uart_tx_buf, 0x00, 256);
    sprintf(uart_tx_buf, "DATA:%06d:", counter);    // 测试阶段，将明文也发送过去
    len = strlen(uart_tx_buf);
    for (loop = 0; loop < 32; loop++)
    {
        uart_tx_buf[len + loop * 3 + 0] = "0123456789ABCDEF"[(temp[loop] >> 4) & 0x0F];     // 高位转换为ASCII字符
        uart_tx_buf[len + loop * 3 + 1] = "0123456789ABCDEF"[temp[loop] & 0x0F];            // 低位转换为ASCII字符
        uart_tx_buf[len + loop * 3 + 2] = ' ';                                              // 空格
    }
    uart_tx_buf[len + loop * 3] = '
';                                                     // 结尾

    len = len + loop * 3 + 1;                                                               // 计算发送长度

    // 通过串口发送数据
    HAL_UART_Transmit(&UART_Handle,
                      uart_tx_buf,
                      len,
                      1000000);
}

// 串口初始化
void Bsp_UARTInit1(UART_HandleTypeDef *huart, UART_TypeDef *puart)
{
    huart->Init.BaudRate = 115200;
    huart->Init.IPSFreq = g_ips_clk;
    huart->Init.Parity = UART_PARITY_MODE_NONE;
    huart->Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart->Instance = puart;

    HAL_UART_Init(huart);
}

// 实际测试主体逻辑
void UART_CPU_SEC_RxTxTest(void)
{
    // LED引脚设置
    EPORT_InitTypeDef eport;
    EPORT_PinDef pin_num;
    EPORT_TypeDef *eport_base;

    pin_num = EPORT_PIN4;
    eport_base = EPORT;

    eport.pin = pin_num;
    eport.func = GPIO_FUN;
    eport.dir = GPIO_DIR_OUT;
    eport.output_mode = EPORT_OUTPUT_MODE_CMOS;
    eport.pull_mode = EPORT_PULL_UP;
    HAL_EPORT_Init(eport_base, &eport);

    // algo设置
    TRNG_HandleTypeDef htrng;
    htrng.instance = TRNG;
    htrng.dividor = 59;
    HAL_CPM_ModuleClkCmd(MODULE_CLK_CRYPTO, ENABLE);
    HAL_TRNG_Init(&htrng);

    int8_t status = 0;
    uint16_t loop = 0;

    HAL_StatusTypeDef tmp_status;

    /* init */
    Bsp_UARTInit1((UART_HandleTypeDef *)(&UART_Handle), UART);

    while (1)
    {
        HAL_UART_DisItTcie(&UART_Handle);
        HAL_UART_DisItTie(&UART_Handle);
        HAL_UART_DisItRe(&UART_Handle);

        while (1)
        {
            // 让LED交替闪亮，以示程序正在运行
            HAL_EPORT_TogglePin(eport_base, pin_num);
            if (!status)
            {
                HAL_EPORT_WritePin(eport_base, pin_num, BIT_RESET);
            }
            else
            {
                HAL_EPORT_WritePin(eport_base, pin_num, BIT_SET);
            }
            status = !status;

            // AES串口加密数据发送测试
            AES_SEND_TEST();

            DelayMS(1000);
        }
    }
}

// 测试入口函数
void UART_SEC_Run(void)
{
    UART_CPU_SEC_RxTxTest();
}

将上述代码覆盖掉src/demo/uart_demo.c，然后在src/inc/demo.h中开启UART，就能编译下载了。

以上的代码，整合了EPORT控制PIN4，UART数据发送，以及ALGO加密算法，每1秒钟发送一次数据。

所以实际的连线如下：

代码中，使用的：

• 加密算法为：AES_ECB_128
• 加密密钥为：1234567890654321
• 加密的明文为：counter计数器，每秒递增1次，然后前面补0到6位长度，如：0000109
• 串口发送的实际数据：DATA:6位明文:密文HEX的ASCII码

发送的数据中，带有明文的目的，是为了方便上位机测试验证。

将开发板使用Type-C连接到电脑，在上位机中，使用串口工具监听串口，然后编译下载运行以上代码，就可以收到如下串口信息了：

在DATA:6位明文:后面的部分，就是6为明文加密后对应的HEX值，我们获取该值，然后使用AES_ECB进行解密，就能还原得到明文了。

解密的部分，我使用Python来实现的。

首先，需要安装pycrypt：

• Linux/macOS：pip3 install pycryptodome
• Windows：pip install pycrypto

然后，使用如下的代码：

import serial
import serial.tools.list_ports
import hashlib
import base64
from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Cipher import DES
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad

password = b''

class Communication():

    #初始化
    def __init__(self,com,bps,timeout):
        self.port = com
        self.bps = bps
        self.timeout =timeout
        global Ret
        try:
            # 打开串口，并得到串口对象
             self.main_engine= serial.Serial(self.port,self.bps,timeout=self.timeout)
            # 判断是否打开成功
             if (self.main_engine.is_open):
               Ret = True
        except Exception as e:
            print("---异常---：", e)

    #打开串口
    def Open_Engine(self):
        self.main_engine.open()

    #关闭串口
    def Close_Engine(self):
        self.main_engine.close()
        print(self.main_engine.is_open)  # 检验串口是否打开

    # 打印可用串口列表
    @staticmethod
    def Print_Used_Com():
        port_list = list(serial.tools.list_ports.comports())
        print(port_list)

    def Read_Size(self,size):
        return self.main_engine.read(size=size)

    #接收一行数据
    # 使用readline()时应该注意：打开串口时应该指定超时，否则如果串口没有收到新行，则会一直等待。
    # 如果没有超时，readline会报异常。
    def Read_Line(self):
        return self.main_engine.readline()

    #发数据
    def Send_data(self,data):
        self.main_engine.write(data)

    def Recive_data(self,way):
        # 循环接收数据，此为死循环，可用线程实现
        print("开始接收数据：")
        data = b''
        while True:
            try:
                # 一个字节一个字节的接收
                if self.main_engine.in_waiting:
                    if(way == 0):
                        for i in range(self.main_engine.in_waiting):
                            print("接收ascii数据："+str(self.Read_Size(1)))
                            data1 = self.Read_Size(1).hex()#转为十六进制
                            data2 = int(data1,16)#转为十进制
                            print("收到数据十六进制："+data1+"  收到数据十进制："+str(data2))
                    if(way == 1):
                        #整体接收
                        # data = self.main_engine.read(
                        #		self.main_engine.in_waiting).decode("utf-8")#方式一
                        tmp = self.main_engine.read_all()#方式二
                        print("接收ascii数据：", tmp)                        
                        data = data + tmp
                        if tmp[-1] == 10:
                            data_hex = bytes.fromhex(data[12:-2].decode())
                            data_plain = data[5:11].decode()
                            print("	接收到一批数据：", data[12:-2])                            
                            print("	接收到的明文数据：", data_plain)                            
                            date_de = decrypt(data_hex, password)
                            data_de_plain = date_de.decode()
                            print("	解码后的明文数据：", data_de_plain)
                            data = b''                            
                        
            except Exception as e:
                print("异常报错：",e)

def encrypt(data, password):
    bs = AES.block_size
    pad = lambda s: s.ljust(bs,b'') 
    cipher = AES.new(password, AES.MODE_ECB)
    data_used = pad(data)
    print("pad(data):", len(data_used), data_used)
    data = cipher.encrypt(data_used)
    return (data)

def decrypt(data, password):
    bs = AES.block_size
    if len(data) < bs:
        print("direct return",data,len(data),bs)
        return (data)
    cipher = AES.new(password, AES.MODE_ECB)
    data  = cipher.decrypt(data)
    return (data)

if __name__=="__main__":
    AES.block_size = 32
    password = b'1234567890654321' #16,24,32位长的密码

    com = Communication("/dev/cu.usbserial-14240", 115200, None)
    com.Print_Name()
    plain,denc_hex = com.Recive_data(1)

将以上代码，保存为：uart_sec_recv.py，准备执行。执行以前，要先关掉串口监听工具。

使用python uart_sec_recv.py执行，开始监听串口，就能接收到串口数据，并进行解码：

从上述结果中可以看到，解码后的数据，与传送过来的明文数据，是一致的，因此加密发送并解码成功。

以上的分享，演示的是开发板发送加密数据，使用了AES_ECB128加密算法，参考algo_demo.c，可以试用其他的加密算法，当然，上位机的代码也需要进行针对性的处理。