Merge tag 'xfs-for-linus-4.8-rc1' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git...
[sfrench/cifs-2.6.git] / Documentation / DocBook / crypto-API.tmpl
1 <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
2 <!DOCTYPE book PUBLIC "-//OASIS//DTD DocBook XML V4.1.2//EN"
3         "http://www.oasis-open.org/docbook/xml/4.1.2/docbookx.dtd" []>
4
5 <book id="KernelCryptoAPI">
6  <bookinfo>
7   <title>Linux Kernel Crypto API</title>
8
9   <authorgroup>
10    <author>
11     <firstname>Stephan</firstname>
12     <surname>Mueller</surname>
13     <affiliation>
14      <address>
15       <email>smueller@chronox.de</email>
16      </address>
17     </affiliation>
18    </author>
19    <author>
20     <firstname>Marek</firstname>
21     <surname>Vasut</surname>
22     <affiliation>
23      <address>
24       <email>marek@denx.de</email>
25      </address>
26     </affiliation>
27    </author>
28   </authorgroup>
29
30   <copyright>
31    <year>2014</year>
32    <holder>Stephan Mueller</holder>
33   </copyright>
34
35
36   <legalnotice>
37    <para>
38      This documentation is free software; you can redistribute
39      it and/or modify it under the terms of the GNU General Public
40      License as published by the Free Software Foundation; either
41      version 2 of the License, or (at your option) any later
42      version.
43    </para>
44
45    <para>
46      This program is distributed in the hope that it will be
47      useful, but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied
48      warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.
49      See the GNU General Public License for more details.
50    </para>
51
52    <para>
53      You should have received a copy of the GNU General Public
54      License along with this program; if not, write to the Free
55      Software Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston,
56      MA 02111-1307 USA
57    </para>
58
59    <para>
60      For more details see the file COPYING in the source
61      distribution of Linux.
62    </para>
63   </legalnotice>
64  </bookinfo>
65
66  <toc></toc>
67
68  <chapter id="Intro">
69   <title>Kernel Crypto API Interface Specification</title>
70
71    <sect1><title>Introduction</title>
72
73     <para>
74      The kernel crypto API offers a rich set of cryptographic ciphers as
75      well as other data transformation mechanisms and methods to invoke
76      these. This document contains a description of the API and provides
77      example code.
78     </para>
79
80     <para>
81      To understand and properly use the kernel crypto API a brief
82      explanation of its structure is given. Based on the architecture,
83      the API can be separated into different components. Following the
84      architecture specification, hints to developers of ciphers are
85      provided. Pointers to the API function call  documentation are
86      given at the end.
87     </para>
88
89     <para>
90      The kernel crypto API refers to all algorithms as "transformations".
91      Therefore, a cipher handle variable usually has the name "tfm".
92      Besides cryptographic operations, the kernel crypto API also knows
93      compression transformations and handles them the same way as ciphers.
94     </para>
95
96     <para>
97      The kernel crypto API serves the following entity types:
98
99      <itemizedlist>
100       <listitem>
101        <para>consumers requesting cryptographic services</para>
102       </listitem>
103       <listitem>
104       <para>data transformation implementations (typically ciphers)
105        that can be called by consumers using the kernel crypto
106        API</para>
107       </listitem>
108      </itemizedlist>
109     </para>
110
111     <para>
112      This specification is intended for consumers of the kernel crypto
113      API as well as for developers implementing ciphers. This API
114      specification, however, does not discuss all API calls available
115      to data transformation implementations (i.e. implementations of
116      ciphers and other transformations (such as CRC or even compression
117      algorithms) that can register with the kernel crypto API).
118     </para>
119
120     <para>
121      Note: The terms "transformation" and cipher algorithm are used
122      interchangeably.
123     </para>
124    </sect1>
125
126    <sect1><title>Terminology</title>
127     <para>
128      The transformation implementation is an actual code or interface
129      to hardware which implements a certain transformation with precisely
130      defined behavior.
131     </para>
132
133     <para>
134      The transformation object (TFM) is an instance of a transformation
135      implementation. There can be multiple transformation objects
136      associated with a single transformation implementation. Each of
137      those transformation objects is held by a crypto API consumer or
138      another transformation. Transformation object is allocated when a
139      crypto API consumer requests a transformation implementation.
140      The consumer is then provided with a structure, which contains
141      a transformation object (TFM).
142     </para>
143
144     <para>
145      The structure that contains transformation objects may also be
146      referred to as a "cipher handle". Such a cipher handle is always
147      subject to the following phases that are reflected in the API calls
148      applicable to such a cipher handle:
149     </para>
150
151     <orderedlist>
152      <listitem>
153       <para>Initialization of a cipher handle.</para>
154      </listitem>
155      <listitem>
156       <para>Execution of all intended cipher operations applicable
157       for the handle where the cipher handle must be furnished to
158       every API call.</para>
159      </listitem>
160      <listitem>
161       <para>Destruction of a cipher handle.</para>
162      </listitem>
163     </orderedlist>
164
165     <para>
166      When using the initialization API calls, a cipher handle is
167      created and returned to the consumer. Therefore, please refer
168      to all initialization API calls that refer to the data
169      structure type a consumer is expected to receive and subsequently
170      to use. The initialization API calls have all the same naming
171      conventions of crypto_alloc_*.
172     </para>
173
174     <para>
175      The transformation context is private data associated with
176      the transformation object.
177     </para>
178    </sect1>
179   </chapter>
180
181   <chapter id="Architecture"><title>Kernel Crypto API Architecture</title>
182    <sect1><title>Cipher algorithm types</title>
183     <para>
184      The kernel crypto API provides different API calls for the
185      following cipher types:
186
187      <itemizedlist>
188       <listitem><para>Symmetric ciphers</para></listitem>
189       <listitem><para>AEAD ciphers</para></listitem>
190       <listitem><para>Message digest, including keyed message digest</para></listitem>
191       <listitem><para>Random number generation</para></listitem>
192       <listitem><para>User space interface</para></listitem>
193      </itemizedlist>
194     </para>
195    </sect1>
196
197    <sect1><title>Ciphers And Templates</title>
198     <para>
199      The kernel crypto API provides implementations of single block
200      ciphers and message digests. In addition, the kernel crypto API
201      provides numerous "templates" that can be used in conjunction
202      with the single block ciphers and message digests. Templates
203      include all types of block chaining mode, the HMAC mechanism, etc.
204     </para>
205
206     <para>
207      Single block ciphers and message digests can either be directly
208      used by a caller or invoked together with a template to form
209      multi-block ciphers or keyed message digests.
210     </para>
211
212     <para>
213      A single block cipher may even be called with multiple templates.
214      However, templates cannot be used without a single cipher.
215     </para>
216
217     <para>
218      See /proc/crypto and search for "name". For example:
219
220      <itemizedlist>
221       <listitem><para>aes</para></listitem>
222       <listitem><para>ecb(aes)</para></listitem>
223       <listitem><para>cmac(aes)</para></listitem>
224       <listitem><para>ccm(aes)</para></listitem>
225       <listitem><para>rfc4106(gcm(aes))</para></listitem>
226       <listitem><para>sha1</para></listitem>
227       <listitem><para>hmac(sha1)</para></listitem>
228       <listitem><para>authenc(hmac(sha1),cbc(aes))</para></listitem>
229      </itemizedlist>
230     </para>
231
232     <para>
233      In these examples, "aes" and "sha1" are the ciphers and all
234      others are the templates.
235     </para>
236    </sect1>
237
238    <sect1><title>Synchronous And Asynchronous Operation</title>
239     <para>
240      The kernel crypto API provides synchronous and asynchronous
241      API operations.
242     </para>
243
244     <para>
245      When using the synchronous API operation, the caller invokes
246      a cipher operation which is performed synchronously by the
247      kernel crypto API. That means, the caller waits until the
248      cipher operation completes. Therefore, the kernel crypto API
249      calls work like regular function calls. For synchronous
250      operation, the set of API calls is small and conceptually
251      similar to any other crypto library.
252     </para>
253
254     <para>
255      Asynchronous operation is provided by the kernel crypto API
256      which implies that the invocation of a cipher operation will
257      complete almost instantly. That invocation triggers the
258      cipher operation but it does not signal its completion. Before
259      invoking a cipher operation, the caller must provide a callback
260      function the kernel crypto API can invoke to signal the
261      completion of the cipher operation. Furthermore, the caller
262      must ensure it can handle such asynchronous events by applying
263      appropriate locking around its data. The kernel crypto API
264      does not perform any special serialization operation to protect
265      the caller's data integrity.
266     </para>
267    </sect1>
268
269    <sect1><title>Crypto API Cipher References And Priority</title>
270     <para>
271      A cipher is referenced by the caller with a string. That string
272      has the following semantics:
273
274      <programlisting>
275         template(single block cipher)
276      </programlisting>
277
278      where "template" and "single block cipher" is the aforementioned
279      template and single block cipher, respectively. If applicable,
280      additional templates may enclose other templates, such as
281
282       <programlisting>
283         template1(template2(single block cipher)))
284       </programlisting>
285     </para>
286
287     <para>
288      The kernel crypto API may provide multiple implementations of a
289      template or a single block cipher. For example, AES on newer
290      Intel hardware has the following implementations: AES-NI,
291      assembler implementation, or straight C. Now, when using the
292      string "aes" with the kernel crypto API, which cipher
293      implementation is used? The answer to that question is the
294      priority number assigned to each cipher implementation by the
295      kernel crypto API. When a caller uses the string to refer to a
296      cipher during initialization of a cipher handle, the kernel
297      crypto API looks up all implementations providing an
298      implementation with that name and selects the implementation
299      with the highest priority.
300     </para>
301
302     <para>
303      Now, a caller may have the need to refer to a specific cipher
304      implementation and thus does not want to rely on the
305      priority-based selection. To accommodate this scenario, the
306      kernel crypto API allows the cipher implementation to register
307      a unique name in addition to common names. When using that
308      unique name, a caller is therefore always sure to refer to
309      the intended cipher implementation.
310     </para>
311
312     <para>
313      The list of available ciphers is given in /proc/crypto. However,
314      that list does not specify all possible permutations of
315      templates and ciphers. Each block listed in /proc/crypto may
316      contain the following information -- if one of the components
317      listed as follows are not applicable to a cipher, it is not
318      displayed:
319     </para>
320
321     <itemizedlist>
322      <listitem>
323       <para>name: the generic name of the cipher that is subject
324        to the priority-based selection -- this name can be used by
325        the cipher allocation API calls (all names listed above are
326        examples for such generic names)</para>
327      </listitem>
328      <listitem>
329       <para>driver: the unique name of the cipher -- this name can
330        be used by the cipher allocation API calls</para>
331      </listitem>
332      <listitem>
333       <para>module: the kernel module providing the cipher
334        implementation (or "kernel" for statically linked ciphers)</para>
335      </listitem>
336      <listitem>
337       <para>priority: the priority value of the cipher implementation</para>
338      </listitem>
339      <listitem>
340       <para>refcnt: the reference count of the respective cipher
341        (i.e. the number of current consumers of this cipher)</para>
342      </listitem>
343      <listitem>
344       <para>selftest: specification whether the self test for the
345        cipher passed</para>
346      </listitem>
347      <listitem>
348       <para>type:
349        <itemizedlist>
350         <listitem>
351          <para>skcipher for symmetric key ciphers</para>
352         </listitem>
353         <listitem>
354          <para>cipher for single block ciphers that may be used with
355           an additional template</para>
356         </listitem>
357         <listitem>
358          <para>shash for synchronous message digest</para>
359         </listitem>
360         <listitem>
361          <para>ahash for asynchronous message digest</para>
362         </listitem>
363         <listitem>
364          <para>aead for AEAD cipher type</para>
365         </listitem>
366         <listitem>
367          <para>compression for compression type transformations</para>
368         </listitem>
369         <listitem>
370          <para>rng for random number generator</para>
371         </listitem>
372         <listitem>
373          <para>givcipher for cipher with associated IV generator
374           (see the geniv entry below for the specification of the
375           IV generator type used by the cipher implementation)</para>
376         </listitem>
377        </itemizedlist>
378       </para>
379      </listitem>
380      <listitem>
381       <para>blocksize: blocksize of cipher in bytes</para>
382      </listitem>
383      <listitem>
384       <para>keysize: key size in bytes</para>
385      </listitem>
386      <listitem>
387       <para>ivsize: IV size in bytes</para>
388      </listitem>
389      <listitem>
390       <para>seedsize: required size of seed data for random number
391        generator</para>
392      </listitem>
393      <listitem>
394       <para>digestsize: output size of the message digest</para>
395      </listitem>
396      <listitem>
397       <para>geniv: IV generation type:
398        <itemizedlist>
399         <listitem>
400          <para>eseqiv for encrypted sequence number based IV
401           generation</para>
402         </listitem>
403         <listitem>
404          <para>seqiv for sequence number based IV generation</para>
405         </listitem>
406         <listitem>
407          <para>chainiv for chain iv generation</para>
408         </listitem>
409         <listitem>
410          <para>&lt;builtin&gt; is a marker that the cipher implements
411           IV generation and handling as it is specific to the given
412           cipher</para>
413         </listitem>
414        </itemizedlist>
415       </para>
416      </listitem>
417     </itemizedlist>
418    </sect1>
419
420    <sect1><title>Key Sizes</title>
421     <para>
422      When allocating a cipher handle, the caller only specifies the
423      cipher type. Symmetric ciphers, however, typically support
424      multiple key sizes (e.g. AES-128 vs. AES-192 vs. AES-256).
425      These key sizes are determined with the length of the provided
426      key. Thus, the kernel crypto API does not provide a separate
427      way to select the particular symmetric cipher key size.
428     </para>
429    </sect1>
430
431    <sect1><title>Cipher Allocation Type And Masks</title>
432     <para>
433      The different cipher handle allocation functions allow the
434      specification of a type and mask flag. Both parameters have
435      the following meaning (and are therefore not covered in the
436      subsequent sections).
437     </para>
438
439     <para>
440      The type flag specifies the type of the cipher algorithm.
441      The caller usually provides a 0 when the caller wants the
442      default handling. Otherwise, the caller may provide the
443      following selections which match the aforementioned cipher
444      types:
445     </para>
446
447     <itemizedlist>
448      <listitem>
449       <para>CRYPTO_ALG_TYPE_CIPHER Single block cipher</para>
450      </listitem>
451      <listitem>
452       <para>CRYPTO_ALG_TYPE_COMPRESS Compression</para>
453      </listitem>
454      <listitem>
455      <para>CRYPTO_ALG_TYPE_AEAD Authenticated Encryption with
456       Associated Data (MAC)</para>
457      </listitem>
458      <listitem>
459       <para>CRYPTO_ALG_TYPE_BLKCIPHER Synchronous multi-block cipher</para>
460      </listitem>
461      <listitem>
462       <para>CRYPTO_ALG_TYPE_ABLKCIPHER Asynchronous multi-block cipher</para>
463      </listitem>
464      <listitem>
465       <para>CRYPTO_ALG_TYPE_GIVCIPHER Asynchronous multi-block
466        cipher packed together with an IV generator (see geniv field
467        in the /proc/crypto listing for the known IV generators)</para>
468      </listitem>
469      <listitem>
470       <para>CRYPTO_ALG_TYPE_DIGEST Raw message digest</para>
471      </listitem>
472      <listitem>
473       <para>CRYPTO_ALG_TYPE_HASH Alias for CRYPTO_ALG_TYPE_DIGEST</para>
474      </listitem>
475      <listitem>
476       <para>CRYPTO_ALG_TYPE_SHASH Synchronous multi-block hash</para>
477      </listitem>
478      <listitem>
479       <para>CRYPTO_ALG_TYPE_AHASH Asynchronous multi-block hash</para>
480      </listitem>
481      <listitem>
482       <para>CRYPTO_ALG_TYPE_RNG Random Number Generation</para>
483      </listitem>
484      <listitem>
485       <para>CRYPTO_ALG_TYPE_AKCIPHER Asymmetric cipher</para>
486      </listitem>
487      <listitem>
488       <para>CRYPTO_ALG_TYPE_PCOMPRESS Enhanced version of
489        CRYPTO_ALG_TYPE_COMPRESS allowing for segmented compression /
490        decompression instead of performing the operation on one
491        segment only. CRYPTO_ALG_TYPE_PCOMPRESS is intended to replace
492        CRYPTO_ALG_TYPE_COMPRESS once existing consumers are converted.</para>
493      </listitem>
494     </itemizedlist>
495
496     <para>
497      The mask flag restricts the type of cipher. The only allowed
498      flag is CRYPTO_ALG_ASYNC to restrict the cipher lookup function
499      to asynchronous ciphers. Usually, a caller provides a 0 for the
500      mask flag.
501     </para>
502
503     <para>
504      When the caller provides a mask and type specification, the
505      caller limits the search the kernel crypto API can perform for
506      a suitable cipher implementation for the given cipher name.
507      That means, even when a caller uses a cipher name that exists
508      during its initialization call, the kernel crypto API may not
509      select it due to the used type and mask field.
510     </para>
511    </sect1>
512
513    <sect1><title>Internal Structure of Kernel Crypto API</title>
514
515     <para>
516      The kernel crypto API has an internal structure where a cipher
517      implementation may use many layers and indirections. This section
518      shall help to clarify how the kernel crypto API uses
519      various components to implement the complete cipher.
520     </para>
521
522     <para>
523      The following subsections explain the internal structure based
524      on existing cipher implementations. The first section addresses
525      the most complex scenario where all other scenarios form a logical
526      subset.
527     </para>
528
529     <sect2><title>Generic AEAD Cipher Structure</title>
530
531      <para>
532       The following ASCII art decomposes the kernel crypto API layers
533       when using the AEAD cipher with the automated IV generation. The
534       shown example is used by the IPSEC layer.
535      </para>
536
537      <para>
538       For other use cases of AEAD ciphers, the ASCII art applies as
539       well, but the caller may not use the AEAD cipher with a separate
540       IV generator. In this case, the caller must generate the IV.
541      </para>
542
543      <para>
544       The depicted example decomposes the AEAD cipher of GCM(AES) based
545       on the generic C implementations (gcm.c, aes-generic.c, ctr.c,
546       ghash-generic.c, seqiv.c). The generic implementation serves as an
547       example showing the complete logic of the kernel crypto API.
548      </para>
549
550      <para>
551       It is possible that some streamlined cipher implementations (like
552       AES-NI) provide implementations merging aspects which in the view
553       of the kernel crypto API cannot be decomposed into layers any more.
554       In case of the AES-NI implementation, the CTR mode, the GHASH
555       implementation and the AES cipher are all merged into one cipher
556       implementation registered with the kernel crypto API. In this case,
557       the concept described by the following ASCII art applies too. However,
558       the decomposition of GCM into the individual sub-components
559       by the kernel crypto API is not done any more.
560      </para>
561
562      <para>
563       Each block in the following ASCII art is an independent cipher
564       instance obtained from the kernel crypto API. Each block
565       is accessed by the caller or by other blocks using the API functions
566       defined by the kernel crypto API for the cipher implementation type.
567      </para>
568
569      <para>
570       The blocks below indicate the cipher type as well as the specific
571       logic implemented in the cipher.
572      </para>
573
574      <para>
575       The ASCII art picture also indicates the call structure, i.e. who
576       calls which component. The arrows point to the invoked block
577       where the caller uses the API applicable to the cipher type
578       specified for the block.
579      </para>
580
581      <programlisting>
582 <![CDATA[
583 kernel crypto API                                |   IPSEC Layer
584                                                  |
585 +-----------+                                    |
586 |           |            (1)
587 |   aead    | <-----------------------------------  esp_output
588 |  (seqiv)  | ---+
589 +-----------+    |
590                  | (2)
591 +-----------+    |
592 |           | <--+                (2)
593 |   aead    | <-----------------------------------  esp_input
594 |   (gcm)   | ------------+
595 +-----------+             |
596       | (3)               | (5)
597       v                   v
598 +-----------+       +-----------+
599 |           |       |           |
600 |  skcipher |       |   ahash   |
601 |   (ctr)   | ---+  |  (ghash)  |
602 +-----------+    |  +-----------+
603                  |
604 +-----------+    | (4)
605 |           | <--+
606 |   cipher  |
607 |   (aes)   |
608 +-----------+
609 ]]>
610      </programlisting>
611
612      <para>
613       The following call sequence is applicable when the IPSEC layer
614       triggers an encryption operation with the esp_output function. During
615       configuration, the administrator set up the use of rfc4106(gcm(aes)) as
616       the cipher for ESP. The following call sequence is now depicted in the
617       ASCII art above:
618      </para>
619
620      <orderedlist>
621       <listitem>
622        <para>
623         esp_output() invokes crypto_aead_encrypt() to trigger an encryption
624         operation of the AEAD cipher with IV generator.
625        </para>
626
627        <para>
628         In case of GCM, the SEQIV implementation is registered as GIVCIPHER
629         in crypto_rfc4106_alloc().
630        </para>
631
632        <para>
633         The SEQIV performs its operation to generate an IV where the core
634         function is seqiv_geniv().
635        </para>
636       </listitem>
637
638       <listitem>
639        <para>
640         Now, SEQIV uses the AEAD API function calls to invoke the associated
641         AEAD cipher. In our case, during the instantiation of SEQIV, the
642         cipher handle for GCM is provided to SEQIV. This means that SEQIV
643         invokes AEAD cipher operations with the GCM cipher handle.
644        </para>
645
646        <para>
647         During instantiation of the GCM handle, the CTR(AES) and GHASH
648         ciphers are instantiated. The cipher handles for CTR(AES) and GHASH
649         are retained for later use.
650        </para>
651
652        <para>
653         The GCM implementation is responsible to invoke the CTR mode AES and
654         the GHASH cipher in the right manner to implement the GCM
655         specification.
656        </para>
657       </listitem>
658
659       <listitem>
660        <para>
661         The GCM AEAD cipher type implementation now invokes the SKCIPHER API
662         with the instantiated CTR(AES) cipher handle.
663        </para>
664
665        <para>
666         During instantiation of the CTR(AES) cipher, the CIPHER type
667         implementation of AES is instantiated. The cipher handle for AES is
668         retained.
669        </para>
670
671        <para>
672         That means that the SKCIPHER implementation of CTR(AES) only
673         implements the CTR block chaining mode. After performing the block
674         chaining operation, the CIPHER implementation of AES is invoked.
675        </para>
676       </listitem>
677
678       <listitem>
679        <para>
680         The SKCIPHER of CTR(AES) now invokes the CIPHER API with the AES
681         cipher handle to encrypt one block.
682        </para>
683       </listitem>
684
685       <listitem>
686        <para>
687         The GCM AEAD implementation also invokes the GHASH cipher
688         implementation via the AHASH API.
689        </para>
690       </listitem>
691      </orderedlist>
692
693      <para>
694       When the IPSEC layer triggers the esp_input() function, the same call
695       sequence is followed with the only difference that the operation starts
696       with step (2).
697      </para>
698     </sect2>
699
700     <sect2><title>Generic Block Cipher Structure</title>
701      <para>
702       Generic block ciphers follow the same concept as depicted with the ASCII
703       art picture above.
704      </para>
705
706      <para>
707       For example, CBC(AES) is implemented with cbc.c, and aes-generic.c. The
708       ASCII art picture above applies as well with the difference that only
709       step (4) is used and the SKCIPHER block chaining mode is CBC.
710      </para>
711     </sect2>
712
713     <sect2><title>Generic Keyed Message Digest Structure</title>
714      <para>
715       Keyed message digest implementations again follow the same concept as
716       depicted in the ASCII art picture above.
717      </para>
718
719      <para>
720       For example, HMAC(SHA256) is implemented with hmac.c and
721       sha256_generic.c. The following ASCII art illustrates the
722       implementation:
723      </para>
724
725      <programlisting>
726 <![CDATA[
727 kernel crypto API            |       Caller
728                              |
729 +-----------+         (1)    |
730 |           | <------------------  some_function
731 |   ahash   |
732 |   (hmac)  | ---+
733 +-----------+    |
734                  | (2)
735 +-----------+    |
736 |           | <--+
737 |   shash   |
738 |  (sha256) |
739 +-----------+
740 ]]>
741      </programlisting>
742
743      <para>
744       The following call sequence is applicable when a caller triggers
745       an HMAC operation:
746      </para>
747
748      <orderedlist>
749       <listitem>
750        <para>
751         The AHASH API functions are invoked by the caller. The HMAC
752         implementation performs its operation as needed.
753        </para>
754
755        <para>
756         During initialization of the HMAC cipher, the SHASH cipher type of
757         SHA256 is instantiated. The cipher handle for the SHA256 instance is
758         retained.
759        </para>
760
761        <para>
762         At one time, the HMAC implementation requires a SHA256 operation
763         where the SHA256 cipher handle is used.
764        </para>
765       </listitem>
766
767       <listitem>
768        <para>
769         The HMAC instance now invokes the SHASH API with the SHA256
770         cipher handle to calculate the message digest.
771        </para>
772       </listitem>
773      </orderedlist>
774     </sect2>
775    </sect1>
776   </chapter>
777
778   <chapter id="Development"><title>Developing Cipher Algorithms</title>
779    <sect1><title>Registering And Unregistering Transformation</title>
780     <para>
781      There are three distinct types of registration functions in
782      the Crypto API. One is used to register a generic cryptographic
783      transformation, while the other two are specific to HASH
784      transformations and COMPRESSion. We will discuss the latter
785      two in a separate chapter, here we will only look at the
786      generic ones.
787     </para>
788
789     <para>
790      Before discussing the register functions, the data structure
791      to be filled with each, struct crypto_alg, must be considered
792      -- see below for a description of this data structure.
793     </para>
794
795     <para>
796      The generic registration functions can be found in
797      include/linux/crypto.h and their definition can be seen below.
798      The former function registers a single transformation, while
799      the latter works on an array of transformation descriptions.
800      The latter is useful when registering transformations in bulk.
801     </para>
802
803     <programlisting>
804    int crypto_register_alg(struct crypto_alg *alg);
805    int crypto_register_algs(struct crypto_alg *algs, int count);
806     </programlisting>
807
808     <para>
809      The counterparts to those functions are listed below.
810     </para>
811
812     <programlisting>
813    int crypto_unregister_alg(struct crypto_alg *alg);
814    int crypto_unregister_algs(struct crypto_alg *algs, int count);
815     </programlisting>
816
817     <para>
818      Notice that both registration and unregistration functions
819      do return a value, so make sure to handle errors. A return
820      code of zero implies success. Any return code &lt; 0 implies
821      an error.
822     </para>
823
824     <para>
825      The bulk registration / unregistration functions require
826      that struct crypto_alg is an array of count size. These
827      functions simply loop over that array and register /
828      unregister each individual algorithm. If an error occurs,
829      the loop is terminated at the offending algorithm definition.
830      That means, the algorithms prior to the offending algorithm
831      are successfully registered. Note, the caller has no way of
832      knowing which cipher implementations have successfully
833      registered. If this is important to know, the caller should
834      loop through the different implementations using the single
835      instance *_alg functions for each individual implementation.
836     </para>
837    </sect1>
838
839    <sect1><title>Single-Block Symmetric Ciphers [CIPHER]</title>
840     <para>
841      Example of transformations: aes, arc4, ...
842     </para>
843
844     <para>
845      This section describes the simplest of all transformation
846      implementations, that being the CIPHER type used for symmetric
847      ciphers. The CIPHER type is used for transformations which
848      operate on exactly one block at a time and there are no
849      dependencies between blocks at all.
850     </para>
851
852     <sect2><title>Registration specifics</title>
853      <para>
854       The registration of [CIPHER] algorithm is specific in that
855       struct crypto_alg field .cra_type is empty. The .cra_u.cipher
856       has to be filled in with proper callbacks to implement this
857       transformation.
858      </para>
859
860      <para>
861       See struct cipher_alg below.
862      </para>
863     </sect2>
864
865     <sect2><title>Cipher Definition With struct cipher_alg</title>
866      <para>
867       Struct cipher_alg defines a single block cipher.
868      </para>
869
870      <para>
871       Here are schematics of how these functions are called when
872       operated from other part of the kernel. Note that the
873       .cia_setkey() call might happen before or after any of these
874       schematics happen, but must not happen during any of these
875       are in-flight.
876      </para>
877
878      <para>
879       <programlisting>
880          KEY ---.    PLAINTEXT ---.
881                 v                 v
882           .cia_setkey() -&gt; .cia_encrypt()
883                                   |
884                                   '-----&gt; CIPHERTEXT
885       </programlisting>
886      </para>
887
888      <para>
889       Please note that a pattern where .cia_setkey() is called
890       multiple times is also valid:
891      </para>
892
893      <para>
894       <programlisting>
895
896   KEY1 --.    PLAINTEXT1 --.         KEY2 --.    PLAINTEXT2 --.
897          v                 v                v                 v
898    .cia_setkey() -&gt; .cia_encrypt() -&gt; .cia_setkey() -&gt; .cia_encrypt()
899                            |                                  |
900                            '---&gt; CIPHERTEXT1                  '---&gt; CIPHERTEXT2
901       </programlisting>
902      </para>
903
904     </sect2>
905    </sect1>
906
907    <sect1><title>Multi-Block Ciphers</title>
908     <para>
909      Example of transformations: cbc(aes), ecb(arc4), ...
910     </para>
911
912     <para>
913      This section describes the multi-block cipher transformation
914      implementations. The multi-block ciphers are
915      used for transformations which operate on scatterlists of
916      data supplied to the transformation functions. They output
917      the result into a scatterlist of data as well.
918     </para>
919
920     <sect2><title>Registration Specifics</title>
921
922      <para>
923       The registration of multi-block cipher algorithms
924       is one of the most standard procedures throughout the crypto API.
925      </para>
926
927      <para>
928       Note, if a cipher implementation requires a proper alignment
929       of data, the caller should use the functions of
930       crypto_skcipher_alignmask() to identify a memory alignment mask.
931       The kernel crypto API is able to process requests that are unaligned.
932       This implies, however, additional overhead as the kernel
933       crypto API needs to perform the realignment of the data which
934       may imply moving of data.
935      </para>
936     </sect2>
937
938     <sect2><title>Cipher Definition With struct blkcipher_alg and ablkcipher_alg</title>
939      <para>
940       Struct blkcipher_alg defines a synchronous block cipher whereas
941       struct ablkcipher_alg defines an asynchronous block cipher.
942      </para>
943
944      <para>
945       Please refer to the single block cipher description for schematics
946       of the block cipher usage.
947      </para>
948     </sect2>
949
950     <sect2><title>Specifics Of Asynchronous Multi-Block Cipher</title>
951      <para>
952       There are a couple of specifics to the asynchronous interface.
953      </para>
954
955      <para>
956       First of all, some of the drivers will want to use the
957       Generic ScatterWalk in case the hardware needs to be fed
958       separate chunks of the scatterlist which contains the
959       plaintext and will contain the ciphertext. Please refer
960       to the ScatterWalk interface offered by the Linux kernel
961       scatter / gather list implementation.
962      </para>
963     </sect2>
964    </sect1>
965
966    <sect1><title>Hashing [HASH]</title>
967
968     <para>
969      Example of transformations: crc32, md5, sha1, sha256,...
970     </para>
971
972     <sect2><title>Registering And Unregistering The Transformation</title>
973
974      <para>
975       There are multiple ways to register a HASH transformation,
976       depending on whether the transformation is synchronous [SHASH]
977       or asynchronous [AHASH] and the amount of HASH transformations
978       we are registering. You can find the prototypes defined in
979       include/crypto/internal/hash.h:
980      </para>
981
982      <programlisting>
983    int crypto_register_ahash(struct ahash_alg *alg);
984
985    int crypto_register_shash(struct shash_alg *alg);
986    int crypto_register_shashes(struct shash_alg *algs, int count);
987      </programlisting>
988
989      <para>
990       The respective counterparts for unregistering the HASH
991       transformation are as follows:
992      </para>
993
994      <programlisting>
995    int crypto_unregister_ahash(struct ahash_alg *alg);
996
997    int crypto_unregister_shash(struct shash_alg *alg);
998    int crypto_unregister_shashes(struct shash_alg *algs, int count);
999      </programlisting>
1000     </sect2>
1001
1002     <sect2><title>Cipher Definition With struct shash_alg and ahash_alg</title>
1003      <para>
1004       Here are schematics of how these functions are called when
1005       operated from other part of the kernel. Note that the .setkey()
1006       call might happen before or after any of these schematics happen,
1007       but must not happen during any of these are in-flight. Please note
1008       that calling .init() followed immediately by .finish() is also a
1009       perfectly valid transformation.
1010      </para>
1011
1012      <programlisting>
1013    I)   DATA -----------.
1014                         v
1015          .init() -&gt; .update() -&gt; .final()      ! .update() might not be called
1016                      ^    |         |            at all in this scenario.
1017                      '----'         '---&gt; HASH
1018
1019    II)  DATA -----------.-----------.
1020                         v           v
1021          .init() -&gt; .update() -&gt; .finup()      ! .update() may not be called
1022                      ^    |         |            at all in this scenario.
1023                      '----'         '---&gt; HASH
1024
1025    III) DATA -----------.
1026                         v
1027                     .digest()                  ! The entire process is handled
1028                         |                        by the .digest() call.
1029                         '---------------&gt; HASH
1030      </programlisting>
1031
1032      <para>
1033       Here is a schematic of how the .export()/.import() functions are
1034       called when used from another part of the kernel.
1035      </para>
1036
1037      <programlisting>
1038    KEY--.                 DATA--.
1039         v                       v                  ! .update() may not be called
1040     .setkey() -&gt; .init() -&gt; .update() -&gt; .export()   at all in this scenario.
1041                              ^     |         |
1042                              '-----'         '--&gt; PARTIAL_HASH
1043
1044    ----------- other transformations happen here -----------
1045
1046    PARTIAL_HASH--.   DATA1--.
1047                  v          v
1048              .import -&gt; .update() -&gt; .final()     ! .update() may not be called
1049                          ^    |         |           at all in this scenario.
1050                          '----'         '--&gt; HASH1
1051
1052    PARTIAL_HASH--.   DATA2-.
1053                  v         v
1054              .import -&gt; .finup()
1055                            |
1056                            '---------------&gt; HASH2
1057      </programlisting>
1058     </sect2>
1059
1060     <sect2><title>Specifics Of Asynchronous HASH Transformation</title>
1061      <para>
1062       Some of the drivers will want to use the Generic ScatterWalk
1063       in case the implementation needs to be fed separate chunks of the
1064       scatterlist which contains the input data. The buffer containing
1065       the resulting hash will always be properly aligned to
1066       .cra_alignmask so there is no need to worry about this.
1067      </para>
1068     </sect2>
1069    </sect1>
1070   </chapter>
1071
1072   <chapter id="User"><title>User Space Interface</title>
1073    <sect1><title>Introduction</title>
1074     <para>
1075      The concepts of the kernel crypto API visible to kernel space is fully
1076      applicable to the user space interface as well. Therefore, the kernel
1077      crypto API high level discussion for the in-kernel use cases applies
1078      here as well.
1079     </para>
1080
1081     <para>
1082      The major difference, however, is that user space can only act as a
1083      consumer and never as a provider of a transformation or cipher algorithm.
1084     </para>
1085
1086     <para>
1087      The following covers the user space interface exported by the kernel
1088      crypto API. A working example of this description is libkcapi that
1089      can be obtained from [1]. That library can be used by user space
1090      applications that require cryptographic services from the kernel.
1091     </para>
1092
1093     <para>
1094      Some details of the in-kernel kernel crypto API aspects do not
1095      apply to user space, however. This includes the difference between
1096      synchronous and asynchronous invocations. The user space API call
1097      is fully synchronous.
1098     </para>
1099
1100     <para>
1101      [1] <ulink url="http://www.chronox.de/libkcapi.html">http://www.chronox.de/libkcapi.html</ulink>
1102     </para>
1103
1104    </sect1>
1105
1106    <sect1><title>User Space API General Remarks</title>
1107     <para>
1108      The kernel crypto API is accessible from user space. Currently,
1109      the following ciphers are accessible:
1110     </para>
1111
1112     <itemizedlist>
1113      <listitem>
1114       <para>Message digest including keyed message digest (HMAC, CMAC)</para>
1115      </listitem>
1116
1117      <listitem>
1118       <para>Symmetric ciphers</para>
1119      </listitem>
1120
1121      <listitem>
1122       <para>AEAD ciphers</para>
1123      </listitem>
1124
1125      <listitem>
1126       <para>Random Number Generators</para>
1127      </listitem>
1128     </itemizedlist>
1129
1130     <para>
1131      The interface is provided via socket type using the type AF_ALG.
1132      In addition, the setsockopt option type is SOL_ALG. In case the
1133      user space header files do not export these flags yet, use the
1134      following macros:
1135     </para>
1136
1137     <programlisting>
1138 #ifndef AF_ALG
1139 #define AF_ALG 38
1140 #endif
1141 #ifndef SOL_ALG
1142 #define SOL_ALG 279
1143 #endif
1144     </programlisting>
1145
1146     <para>
1147      A cipher is accessed with the same name as done for the in-kernel
1148      API calls. This includes the generic vs. unique naming schema for
1149      ciphers as well as the enforcement of priorities for generic names.
1150     </para>
1151
1152     <para>
1153      To interact with the kernel crypto API, a socket must be
1154      created by the user space application. User space invokes the cipher
1155      operation with the send()/write() system call family. The result of the
1156      cipher operation is obtained with the read()/recv() system call family.
1157     </para>
1158
1159     <para>
1160      The following API calls assume that the socket descriptor
1161      is already opened by the user space application and discusses only
1162      the kernel crypto API specific invocations.
1163     </para>
1164
1165     <para>
1166      To initialize the socket interface, the following sequence has to
1167      be performed by the consumer:
1168     </para>
1169
1170     <orderedlist>
1171      <listitem>
1172       <para>
1173        Create a socket of type AF_ALG with the struct sockaddr_alg
1174        parameter specified below for the different cipher types.
1175       </para>
1176      </listitem>
1177
1178      <listitem>
1179       <para>
1180        Invoke bind with the socket descriptor
1181       </para>
1182      </listitem>
1183
1184      <listitem>
1185       <para>
1186        Invoke accept with the socket descriptor. The accept system call
1187        returns a new file descriptor that is to be used to interact with
1188        the particular cipher instance. When invoking send/write or recv/read
1189        system calls to send data to the kernel or obtain data from the
1190        kernel, the file descriptor returned by accept must be used.
1191       </para>
1192      </listitem>
1193     </orderedlist>
1194    </sect1>
1195
1196    <sect1><title>In-place Cipher operation</title>
1197     <para>
1198      Just like the in-kernel operation of the kernel crypto API, the user
1199      space interface allows the cipher operation in-place. That means that
1200      the input buffer used for the send/write system call and the output
1201      buffer used by the read/recv system call may be one and the same.
1202      This is of particular interest for symmetric cipher operations where a
1203      copying of the output data to its final destination can be avoided.
1204     </para>
1205
1206     <para>
1207      If a consumer on the other hand wants to maintain the plaintext and
1208      the ciphertext in different memory locations, all a consumer needs
1209      to do is to provide different memory pointers for the encryption and
1210      decryption operation.
1211     </para>
1212    </sect1>
1213
1214    <sect1><title>Message Digest API</title>
1215     <para>
1216      The message digest type to be used for the cipher operation is
1217      selected when invoking the bind syscall. bind requires the caller
1218      to provide a filled struct sockaddr data structure. This data
1219      structure must be filled as follows:
1220     </para>
1221
1222     <programlisting>
1223 struct sockaddr_alg sa = {
1224         .salg_family = AF_ALG,
1225         .salg_type = "hash", /* this selects the hash logic in the kernel */
1226         .salg_name = "sha1" /* this is the cipher name */
1227 };
1228     </programlisting>
1229
1230     <para>
1231      The salg_type value "hash" applies to message digests and keyed
1232      message digests. Though, a keyed message digest is referenced by
1233      the appropriate salg_name. Please see below for the setsockopt
1234      interface that explains how the key can be set for a keyed message
1235      digest.
1236     </para>
1237
1238     <para>
1239      Using the send() system call, the application provides the data that
1240      should be processed with the message digest. The send system call
1241      allows the following flags to be specified:
1242     </para>
1243
1244     <itemizedlist>
1245      <listitem>
1246       <para>
1247        MSG_MORE: If this flag is set, the send system call acts like a
1248        message digest update function where the final hash is not
1249        yet calculated. If the flag is not set, the send system call
1250        calculates the final message digest immediately.
1251       </para>
1252      </listitem>
1253     </itemizedlist>
1254
1255     <para>
1256      With the recv() system call, the application can read the message
1257      digest from the kernel crypto API. If the buffer is too small for the
1258      message digest, the flag MSG_TRUNC is set by the kernel.
1259     </para>
1260
1261     <para>
1262      In order to set a message digest key, the calling application must use
1263      the setsockopt() option of ALG_SET_KEY. If the key is not set the HMAC
1264      operation is performed without the initial HMAC state change caused by
1265      the key.
1266     </para>
1267    </sect1>
1268
1269    <sect1><title>Symmetric Cipher API</title>
1270     <para>
1271      The operation is very similar to the message digest discussion.
1272      During initialization, the struct sockaddr data structure must be
1273      filled as follows:
1274     </para>
1275
1276     <programlisting>
1277 struct sockaddr_alg sa = {
1278         .salg_family = AF_ALG,
1279         .salg_type = "skcipher", /* this selects the symmetric cipher */
1280         .salg_name = "cbc(aes)" /* this is the cipher name */
1281 };
1282     </programlisting>
1283
1284     <para>
1285      Before data can be sent to the kernel using the write/send system
1286      call family, the consumer must set the key. The key setting is
1287      described with the setsockopt invocation below.
1288     </para>
1289
1290     <para>
1291      Using the sendmsg() system call, the application provides the data that should be processed for encryption or decryption. In addition, the IV is
1292      specified with the data structure provided by the sendmsg() system call.
1293     </para>
1294
1295     <para>
1296      The sendmsg system call parameter of struct msghdr is embedded into the
1297      struct cmsghdr data structure. See recv(2) and cmsg(3) for more
1298      information on how the cmsghdr data structure is used together with the
1299      send/recv system call family. That cmsghdr data structure holds the
1300      following information specified with a separate header instances:
1301     </para>
1302
1303     <itemizedlist>
1304      <listitem>
1305       <para>
1306        specification of the cipher operation type with one of these flags:
1307       </para>
1308       <itemizedlist>
1309        <listitem>
1310         <para>ALG_OP_ENCRYPT - encryption of data</para>
1311        </listitem>
1312        <listitem>
1313         <para>ALG_OP_DECRYPT - decryption of data</para>
1314        </listitem>
1315       </itemizedlist>
1316      </listitem>
1317
1318      <listitem>
1319       <para>
1320        specification of the IV information marked with the flag ALG_SET_IV
1321       </para>
1322      </listitem>
1323     </itemizedlist>
1324
1325     <para>
1326      The send system call family allows the following flag to be specified:
1327     </para>
1328
1329     <itemizedlist>
1330      <listitem>
1331       <para>
1332        MSG_MORE: If this flag is set, the send system call acts like a
1333        cipher update function where more input data is expected
1334        with a subsequent invocation of the send system call.
1335       </para>
1336      </listitem>
1337     </itemizedlist>
1338
1339     <para>
1340      Note: The kernel reports -EINVAL for any unexpected data. The caller
1341      must make sure that all data matches the constraints given in
1342      /proc/crypto for the selected cipher.
1343     </para>
1344
1345     <para>
1346      With the recv() system call, the application can read the result of
1347      the cipher operation from the kernel crypto API. The output buffer
1348      must be at least as large as to hold all blocks of the encrypted or
1349      decrypted data. If the output data size is smaller, only as many
1350      blocks are returned that fit into that output buffer size.
1351     </para>
1352    </sect1>
1353
1354    <sect1><title>AEAD Cipher API</title>
1355     <para>
1356      The operation is very similar to the symmetric cipher discussion.
1357      During initialization, the struct sockaddr data structure must be
1358      filled as follows:
1359     </para>
1360
1361     <programlisting>
1362 struct sockaddr_alg sa = {
1363         .salg_family = AF_ALG,
1364         .salg_type = "aead", /* this selects the symmetric cipher */
1365         .salg_name = "gcm(aes)" /* this is the cipher name */
1366 };
1367     </programlisting>
1368
1369     <para>
1370      Before data can be sent to the kernel using the write/send system
1371      call family, the consumer must set the key. The key setting is
1372      described with the setsockopt invocation below.
1373     </para>
1374
1375     <para>
1376      In addition, before data can be sent to the kernel using the
1377      write/send system call family, the consumer must set the authentication
1378      tag size. To set the authentication tag size, the caller must use the
1379      setsockopt invocation described below.
1380     </para>
1381
1382     <para>
1383      Using the sendmsg() system call, the application provides the data that should be processed for encryption or decryption. In addition, the IV is
1384      specified with the data structure provided by the sendmsg() system call.
1385     </para>
1386
1387     <para>
1388      The sendmsg system call parameter of struct msghdr is embedded into the
1389      struct cmsghdr data structure. See recv(2) and cmsg(3) for more
1390      information on how the cmsghdr data structure is used together with the
1391      send/recv system call family. That cmsghdr data structure holds the
1392      following information specified with a separate header instances:
1393     </para>
1394
1395     <itemizedlist>
1396      <listitem>
1397       <para>
1398        specification of the cipher operation type with one of these flags:
1399       </para>
1400       <itemizedlist>
1401        <listitem>
1402         <para>ALG_OP_ENCRYPT - encryption of data</para>
1403        </listitem>
1404        <listitem>
1405         <para>ALG_OP_DECRYPT - decryption of data</para>
1406        </listitem>
1407       </itemizedlist>
1408      </listitem>
1409
1410      <listitem>
1411       <para>
1412        specification of the IV information marked with the flag ALG_SET_IV
1413       </para>
1414      </listitem>
1415
1416      <listitem>
1417       <para>
1418        specification of the associated authentication data (AAD) with the
1419        flag ALG_SET_AEAD_ASSOCLEN. The AAD is sent to the kernel together
1420        with the plaintext / ciphertext. See below for the memory structure.
1421       </para>
1422      </listitem>
1423     </itemizedlist>
1424
1425     <para>
1426      The send system call family allows the following flag to be specified:
1427     </para>
1428
1429     <itemizedlist>
1430      <listitem>
1431       <para>
1432        MSG_MORE: If this flag is set, the send system call acts like a
1433        cipher update function where more input data is expected
1434        with a subsequent invocation of the send system call.
1435       </para>
1436      </listitem>
1437     </itemizedlist>
1438
1439     <para>
1440      Note: The kernel reports -EINVAL for any unexpected data. The caller
1441      must make sure that all data matches the constraints given in
1442      /proc/crypto for the selected cipher.
1443     </para>
1444
1445     <para>
1446      With the recv() system call, the application can read the result of
1447      the cipher operation from the kernel crypto API. The output buffer
1448      must be at least as large as defined with the memory structure below.
1449      If the output data size is smaller, the cipher operation is not performed.
1450     </para>
1451
1452     <para>
1453      The authenticated decryption operation may indicate an integrity error.
1454      Such breach in integrity is marked with the -EBADMSG error code.
1455     </para>
1456
1457     <sect2><title>AEAD Memory Structure</title>
1458      <para>
1459       The AEAD cipher operates with the following information that
1460       is communicated between user and kernel space as one data stream:
1461      </para>
1462
1463      <itemizedlist>
1464       <listitem>
1465        <para>plaintext or ciphertext</para>
1466       </listitem>
1467
1468       <listitem>
1469        <para>associated authentication data (AAD)</para>
1470       </listitem>
1471
1472       <listitem>
1473        <para>authentication tag</para>
1474       </listitem>
1475      </itemizedlist>
1476
1477      <para>
1478       The sizes of the AAD and the authentication tag are provided with
1479       the sendmsg and setsockopt calls (see there). As the kernel knows
1480       the size of the entire data stream, the kernel is now able to
1481       calculate the right offsets of the data components in the data
1482       stream.
1483      </para>
1484
1485      <para>
1486       The user space caller must arrange the aforementioned information
1487       in the following order:
1488      </para>
1489
1490      <itemizedlist>
1491       <listitem>
1492        <para>
1493         AEAD encryption input: AAD || plaintext
1494        </para>
1495       </listitem>
1496
1497       <listitem>
1498        <para>
1499         AEAD decryption input: AAD || ciphertext || authentication tag
1500        </para>
1501       </listitem>
1502      </itemizedlist>
1503
1504      <para>
1505       The output buffer the user space caller provides must be at least as
1506       large to hold the following data:
1507      </para>
1508
1509      <itemizedlist>
1510       <listitem>
1511        <para>
1512         AEAD encryption output: ciphertext || authentication tag
1513        </para>
1514       </listitem>
1515
1516       <listitem>
1517        <para>
1518         AEAD decryption output: plaintext
1519        </para>
1520       </listitem>
1521      </itemizedlist>
1522     </sect2>
1523    </sect1>
1524
1525    <sect1><title>Random Number Generator API</title>
1526     <para>
1527      Again, the operation is very similar to the other APIs.
1528      During initialization, the struct sockaddr data structure must be
1529      filled as follows:
1530     </para>
1531
1532     <programlisting>
1533 struct sockaddr_alg sa = {
1534         .salg_family = AF_ALG,
1535         .salg_type = "rng", /* this selects the symmetric cipher */
1536         .salg_name = "drbg_nopr_sha256" /* this is the cipher name */
1537 };
1538     </programlisting>
1539
1540     <para>
1541      Depending on the RNG type, the RNG must be seeded. The seed is provided
1542      using the setsockopt interface to set the key. For example, the
1543      ansi_cprng requires a seed. The DRBGs do not require a seed, but
1544      may be seeded.
1545     </para>
1546
1547     <para>
1548      Using the read()/recvmsg() system calls, random numbers can be obtained.
1549      The kernel generates at most 128 bytes in one call. If user space
1550      requires more data, multiple calls to read()/recvmsg() must be made.
1551     </para>
1552
1553     <para>
1554      WARNING: The user space caller may invoke the initially mentioned
1555      accept system call multiple times. In this case, the returned file
1556      descriptors have the same state.
1557     </para>
1558
1559    </sect1>
1560
1561    <sect1><title>Zero-Copy Interface</title>
1562     <para>
1563      In addition to the send/write/read/recv system call family, the AF_ALG
1564      interface can be accessed with the zero-copy interface of splice/vmsplice.
1565      As the name indicates, the kernel tries to avoid a copy operation into
1566      kernel space.
1567     </para>
1568
1569     <para>
1570      The zero-copy operation requires data to be aligned at the page boundary.
1571      Non-aligned data can be used as well, but may require more operations of
1572      the kernel which would defeat the speed gains obtained from the zero-copy
1573      interface.
1574     </para>
1575
1576     <para>
1577      The system-interent limit for the size of one zero-copy operation is
1578      16 pages. If more data is to be sent to AF_ALG, user space must slice
1579      the input into segments with a maximum size of 16 pages.
1580     </para>
1581
1582     <para>
1583      Zero-copy can be used with the following code example (a complete working
1584      example is provided with libkcapi):
1585     </para>
1586
1587     <programlisting>
1588 int pipes[2];
1589
1590 pipe(pipes);
1591 /* input data in iov */
1592 vmsplice(pipes[1], iov, iovlen, SPLICE_F_GIFT);
1593 /* opfd is the file descriptor returned from accept() system call */
1594 splice(pipes[0], NULL, opfd, NULL, ret, 0);
1595 read(opfd, out, outlen);
1596     </programlisting>
1597
1598    </sect1>
1599
1600    <sect1><title>Setsockopt Interface</title>
1601     <para>
1602      In addition to the read/recv and send/write system call handling
1603      to send and retrieve data subject to the cipher operation, a consumer
1604      also needs to set the additional information for the cipher operation.
1605      This additional information is set using the setsockopt system call
1606      that must be invoked with the file descriptor of the open cipher
1607      (i.e. the file descriptor returned by the accept system call).
1608     </para>
1609
1610     <para>
1611      Each setsockopt invocation must use the level SOL_ALG.
1612     </para>
1613
1614     <para>
1615      The setsockopt interface allows setting the following data using
1616      the mentioned optname:
1617     </para>
1618
1619     <itemizedlist>
1620      <listitem>
1621       <para>
1622        ALG_SET_KEY -- Setting the key. Key setting is applicable to:
1623       </para>
1624       <itemizedlist>
1625        <listitem>
1626         <para>the skcipher cipher type (symmetric ciphers)</para>
1627        </listitem>
1628        <listitem>
1629         <para>the hash cipher type (keyed message digests)</para>
1630        </listitem>
1631        <listitem>
1632         <para>the AEAD cipher type</para>
1633        </listitem>
1634        <listitem>
1635         <para>the RNG cipher type to provide the seed</para>
1636        </listitem>
1637       </itemizedlist>
1638      </listitem>
1639
1640      <listitem>
1641       <para>
1642        ALG_SET_AEAD_AUTHSIZE -- Setting the authentication tag size
1643        for AEAD ciphers. For a encryption operation, the authentication
1644        tag of the given size will be generated. For a decryption operation,
1645        the provided ciphertext is assumed to contain an authentication tag
1646        of the given size (see section about AEAD memory layout below).
1647       </para>
1648      </listitem>
1649     </itemizedlist>
1650
1651    </sect1>
1652
1653    <sect1><title>User space API example</title>
1654     <para>
1655      Please see [1] for libkcapi which provides an easy-to-use wrapper
1656      around the aforementioned Netlink kernel interface. [1] also contains
1657      a test application that invokes all libkcapi API calls.
1658     </para>
1659
1660     <para>
1661      [1] <ulink url="http://www.chronox.de/libkcapi.html">http://www.chronox.de/libkcapi.html</ulink>
1662     </para>
1663
1664    </sect1>
1665
1666   </chapter>
1667
1668   <chapter id="API"><title>Programming Interface</title>
1669    <para>
1670     Please note that the kernel crypto API contains the AEAD givcrypt
1671     API (crypto_aead_giv* and aead_givcrypt_* function calls in
1672     include/crypto/aead.h). This API is obsolete and will be removed
1673     in the future. To obtain the functionality of an AEAD cipher with
1674     internal IV generation, use the IV generator as a regular cipher.
1675     For example, rfc4106(gcm(aes)) is the AEAD cipher with external
1676     IV generation and seqniv(rfc4106(gcm(aes))) implies that the kernel
1677     crypto API generates the IV. Different IV generators are available.
1678    </para>
1679    <sect1><title>Block Cipher Context Data Structures</title>
1680 !Pinclude/linux/crypto.h Block Cipher Context Data Structures
1681 !Finclude/crypto/aead.h aead_request
1682    </sect1>
1683    <sect1><title>Block Cipher Algorithm Definitions</title>
1684 !Pinclude/linux/crypto.h Block Cipher Algorithm Definitions
1685 !Finclude/linux/crypto.h crypto_alg
1686 !Finclude/linux/crypto.h ablkcipher_alg
1687 !Finclude/crypto/aead.h aead_alg
1688 !Finclude/linux/crypto.h blkcipher_alg
1689 !Finclude/linux/crypto.h cipher_alg
1690 !Finclude/crypto/rng.h rng_alg
1691    </sect1>
1692    <sect1><title>Symmetric Key Cipher API</title>
1693 !Pinclude/crypto/skcipher.h Symmetric Key Cipher API
1694 !Finclude/crypto/skcipher.h crypto_alloc_skcipher
1695 !Finclude/crypto/skcipher.h crypto_free_skcipher
1696 !Finclude/crypto/skcipher.h crypto_has_skcipher
1697 !Finclude/crypto/skcipher.h crypto_skcipher_ivsize
1698 !Finclude/crypto/skcipher.h crypto_skcipher_blocksize
1699 !Finclude/crypto/skcipher.h crypto_skcipher_setkey
1700 !Finclude/crypto/skcipher.h crypto_skcipher_reqtfm
1701 !Finclude/crypto/skcipher.h crypto_skcipher_encrypt
1702 !Finclude/crypto/skcipher.h crypto_skcipher_decrypt
1703    </sect1>
1704    <sect1><title>Symmetric Key Cipher Request Handle</title>
1705 !Pinclude/crypto/skcipher.h Symmetric Key Cipher Request Handle
1706 !Finclude/crypto/skcipher.h crypto_skcipher_reqsize
1707 !Finclude/crypto/skcipher.h skcipher_request_set_tfm
1708 !Finclude/crypto/skcipher.h skcipher_request_alloc
1709 !Finclude/crypto/skcipher.h skcipher_request_free
1710 !Finclude/crypto/skcipher.h skcipher_request_set_callback
1711 !Finclude/crypto/skcipher.h skcipher_request_set_crypt
1712    </sect1>
1713    <sect1><title>Asynchronous Block Cipher API - Deprecated</title>
1714 !Pinclude/linux/crypto.h Asynchronous Block Cipher API
1715 !Finclude/linux/crypto.h crypto_alloc_ablkcipher
1716 !Finclude/linux/crypto.h crypto_free_ablkcipher
1717 !Finclude/linux/crypto.h crypto_has_ablkcipher
1718 !Finclude/linux/crypto.h crypto_ablkcipher_ivsize
1719 !Finclude/linux/crypto.h crypto_ablkcipher_blocksize
1720 !Finclude/linux/crypto.h crypto_ablkcipher_setkey
1721 !Finclude/linux/crypto.h crypto_ablkcipher_reqtfm
1722 !Finclude/linux/crypto.h crypto_ablkcipher_encrypt
1723 !Finclude/linux/crypto.h crypto_ablkcipher_decrypt
1724    </sect1>
1725    <sect1><title>Asynchronous Cipher Request Handle - Deprecated</title>
1726 !Pinclude/linux/crypto.h Asynchronous Cipher Request Handle
1727 !Finclude/linux/crypto.h crypto_ablkcipher_reqsize
1728 !Finclude/linux/crypto.h ablkcipher_request_set_tfm
1729 !Finclude/linux/crypto.h ablkcipher_request_alloc
1730 !Finclude/linux/crypto.h ablkcipher_request_free
1731 !Finclude/linux/crypto.h ablkcipher_request_set_callback
1732 !Finclude/linux/crypto.h ablkcipher_request_set_crypt
1733    </sect1>
1734    <sect1><title>Authenticated Encryption With Associated Data (AEAD) Cipher API</title>
1735 !Pinclude/crypto/aead.h Authenticated Encryption With Associated Data (AEAD) Cipher API
1736 !Finclude/crypto/aead.h crypto_alloc_aead
1737 !Finclude/crypto/aead.h crypto_free_aead
1738 !Finclude/crypto/aead.h crypto_aead_ivsize
1739 !Finclude/crypto/aead.h crypto_aead_authsize
1740 !Finclude/crypto/aead.h crypto_aead_blocksize
1741 !Finclude/crypto/aead.h crypto_aead_setkey
1742 !Finclude/crypto/aead.h crypto_aead_setauthsize
1743 !Finclude/crypto/aead.h crypto_aead_encrypt
1744 !Finclude/crypto/aead.h crypto_aead_decrypt
1745    </sect1>
1746    <sect1><title>Asynchronous AEAD Request Handle</title>
1747 !Pinclude/crypto/aead.h Asynchronous AEAD Request Handle
1748 !Finclude/crypto/aead.h crypto_aead_reqsize
1749 !Finclude/crypto/aead.h aead_request_set_tfm
1750 !Finclude/crypto/aead.h aead_request_alloc
1751 !Finclude/crypto/aead.h aead_request_free
1752 !Finclude/crypto/aead.h aead_request_set_callback
1753 !Finclude/crypto/aead.h aead_request_set_crypt
1754 !Finclude/crypto/aead.h aead_request_set_ad
1755    </sect1>
1756    <sect1><title>Synchronous Block Cipher API - Deprecated</title>
1757 !Pinclude/linux/crypto.h Synchronous Block Cipher API
1758 !Finclude/linux/crypto.h crypto_alloc_blkcipher
1759 !Finclude/linux/crypto.h crypto_free_blkcipher
1760 !Finclude/linux/crypto.h crypto_has_blkcipher
1761 !Finclude/linux/crypto.h crypto_blkcipher_name
1762 !Finclude/linux/crypto.h crypto_blkcipher_ivsize
1763 !Finclude/linux/crypto.h crypto_blkcipher_blocksize
1764 !Finclude/linux/crypto.h crypto_blkcipher_setkey
1765 !Finclude/linux/crypto.h crypto_blkcipher_encrypt
1766 !Finclude/linux/crypto.h crypto_blkcipher_encrypt_iv
1767 !Finclude/linux/crypto.h crypto_blkcipher_decrypt
1768 !Finclude/linux/crypto.h crypto_blkcipher_decrypt_iv
1769 !Finclude/linux/crypto.h crypto_blkcipher_set_iv
1770 !Finclude/linux/crypto.h crypto_blkcipher_get_iv
1771    </sect1>
1772    <sect1><title>Single Block Cipher API</title>
1773 !Pinclude/linux/crypto.h Single Block Cipher API
1774 !Finclude/linux/crypto.h crypto_alloc_cipher
1775 !Finclude/linux/crypto.h crypto_free_cipher
1776 !Finclude/linux/crypto.h crypto_has_cipher
1777 !Finclude/linux/crypto.h crypto_cipher_blocksize
1778 !Finclude/linux/crypto.h crypto_cipher_setkey
1779 !Finclude/linux/crypto.h crypto_cipher_encrypt_one
1780 !Finclude/linux/crypto.h crypto_cipher_decrypt_one
1781    </sect1>
1782    <sect1><title>Message Digest Algorithm Definitions</title>
1783 !Pinclude/crypto/hash.h Message Digest Algorithm Definitions
1784 !Finclude/crypto/hash.h hash_alg_common
1785 !Finclude/crypto/hash.h ahash_alg
1786 !Finclude/crypto/hash.h shash_alg
1787    </sect1>
1788    <sect1><title>Asynchronous Message Digest API</title>
1789 !Pinclude/crypto/hash.h Asynchronous Message Digest API
1790 !Finclude/crypto/hash.h crypto_alloc_ahash
1791 !Finclude/crypto/hash.h crypto_free_ahash
1792 !Finclude/crypto/hash.h crypto_ahash_init
1793 !Finclude/crypto/hash.h crypto_ahash_digestsize
1794 !Finclude/crypto/hash.h crypto_ahash_reqtfm
1795 !Finclude/crypto/hash.h crypto_ahash_reqsize
1796 !Finclude/crypto/hash.h crypto_ahash_setkey
1797 !Finclude/crypto/hash.h crypto_ahash_finup
1798 !Finclude/crypto/hash.h crypto_ahash_final
1799 !Finclude/crypto/hash.h crypto_ahash_digest
1800 !Finclude/crypto/hash.h crypto_ahash_export
1801 !Finclude/crypto/hash.h crypto_ahash_import
1802    </sect1>
1803    <sect1><title>Asynchronous Hash Request Handle</title>
1804 !Pinclude/crypto/hash.h Asynchronous Hash Request Handle
1805 !Finclude/crypto/hash.h ahash_request_set_tfm
1806 !Finclude/crypto/hash.h ahash_request_alloc
1807 !Finclude/crypto/hash.h ahash_request_free
1808 !Finclude/crypto/hash.h ahash_request_set_callback
1809 !Finclude/crypto/hash.h ahash_request_set_crypt
1810    </sect1>
1811    <sect1><title>Synchronous Message Digest API</title>
1812 !Pinclude/crypto/hash.h Synchronous Message Digest API
1813 !Finclude/crypto/hash.h crypto_alloc_shash
1814 !Finclude/crypto/hash.h crypto_free_shash
1815 !Finclude/crypto/hash.h crypto_shash_blocksize
1816 !Finclude/crypto/hash.h crypto_shash_digestsize
1817 !Finclude/crypto/hash.h crypto_shash_descsize
1818 !Finclude/crypto/hash.h crypto_shash_setkey
1819 !Finclude/crypto/hash.h crypto_shash_digest
1820 !Finclude/crypto/hash.h crypto_shash_export
1821 !Finclude/crypto/hash.h crypto_shash_import
1822 !Finclude/crypto/hash.h crypto_shash_init
1823 !Finclude/crypto/hash.h crypto_shash_update
1824 !Finclude/crypto/hash.h crypto_shash_final
1825 !Finclude/crypto/hash.h crypto_shash_finup
1826    </sect1>
1827    <sect1><title>Crypto API Random Number API</title>
1828 !Pinclude/crypto/rng.h Random number generator API
1829 !Finclude/crypto/rng.h crypto_alloc_rng
1830 !Finclude/crypto/rng.h crypto_rng_alg
1831 !Finclude/crypto/rng.h crypto_free_rng
1832 !Finclude/crypto/rng.h crypto_rng_generate
1833 !Finclude/crypto/rng.h crypto_rng_get_bytes
1834 !Finclude/crypto/rng.h crypto_rng_reset
1835 !Finclude/crypto/rng.h crypto_rng_seedsize
1836 !Cinclude/crypto/rng.h
1837    </sect1>
1838    <sect1><title>Asymmetric Cipher API</title>
1839 !Pinclude/crypto/akcipher.h Generic Public Key API
1840 !Finclude/crypto/akcipher.h akcipher_alg
1841 !Finclude/crypto/akcipher.h akcipher_request
1842 !Finclude/crypto/akcipher.h crypto_alloc_akcipher
1843 !Finclude/crypto/akcipher.h crypto_free_akcipher
1844 !Finclude/crypto/akcipher.h crypto_akcipher_set_pub_key
1845 !Finclude/crypto/akcipher.h crypto_akcipher_set_priv_key
1846    </sect1>
1847    <sect1><title>Asymmetric Cipher Request Handle</title>
1848 !Finclude/crypto/akcipher.h akcipher_request_alloc
1849 !Finclude/crypto/akcipher.h akcipher_request_free
1850 !Finclude/crypto/akcipher.h akcipher_request_set_callback
1851 !Finclude/crypto/akcipher.h akcipher_request_set_crypt
1852 !Finclude/crypto/akcipher.h crypto_akcipher_maxsize
1853 !Finclude/crypto/akcipher.h crypto_akcipher_encrypt
1854 !Finclude/crypto/akcipher.h crypto_akcipher_decrypt
1855 !Finclude/crypto/akcipher.h crypto_akcipher_sign
1856 !Finclude/crypto/akcipher.h crypto_akcipher_verify
1857    </sect1>
1858   </chapter>
1859
1860   <chapter id="Code"><title>Code Examples</title>
1861    <sect1><title>Code Example For Symmetric Key Cipher Operation</title>
1862     <programlisting>
1863
1864 struct tcrypt_result {
1865         struct completion completion;
1866         int err;
1867 };
1868
1869 /* tie all data structures together */
1870 struct skcipher_def {
1871         struct scatterlist sg;
1872         struct crypto_skcipher *tfm;
1873         struct skcipher_request *req;
1874         struct tcrypt_result result;
1875 };
1876
1877 /* Callback function */
1878 static void test_skcipher_cb(struct crypto_async_request *req, int error)
1879 {
1880         struct tcrypt_result *result = req-&gt;data;
1881
1882         if (error == -EINPROGRESS)
1883                 return;
1884         result-&gt;err = error;
1885         complete(&amp;result-&gt;completion);
1886         pr_info("Encryption finished successfully\n");
1887 }
1888
1889 /* Perform cipher operation */
1890 static unsigned int test_skcipher_encdec(struct skcipher_def *sk,
1891                                          int enc)
1892 {
1893         int rc = 0;
1894
1895         if (enc)
1896                 rc = crypto_skcipher_encrypt(sk-&gt;req);
1897         else
1898                 rc = crypto_skcipher_decrypt(sk-&gt;req);
1899
1900         switch (rc) {
1901         case 0:
1902                 break;
1903         case -EINPROGRESS:
1904         case -EBUSY:
1905                 rc = wait_for_completion_interruptible(
1906                         &amp;sk-&gt;result.completion);
1907                 if (!rc &amp;&amp; !sk-&gt;result.err) {
1908                         reinit_completion(&amp;sk-&gt;result.completion);
1909                         break;
1910                 }
1911         default:
1912                 pr_info("skcipher encrypt returned with %d result %d\n",
1913                         rc, sk-&gt;result.err);
1914                 break;
1915         }
1916         init_completion(&amp;sk-&gt;result.completion);
1917
1918         return rc;
1919 }
1920
1921 /* Initialize and trigger cipher operation */
1922 static int test_skcipher(void)
1923 {
1924         struct skcipher_def sk;
1925         struct crypto_skcipher *skcipher = NULL;
1926         struct skcipher_request *req = NULL;
1927         char *scratchpad = NULL;
1928         char *ivdata = NULL;
1929         unsigned char key[32];
1930         int ret = -EFAULT;
1931
1932         skcipher = crypto_alloc_skcipher("cbc-aes-aesni", 0, 0);
1933         if (IS_ERR(skcipher)) {
1934                 pr_info("could not allocate skcipher handle\n");
1935                 return PTR_ERR(skcipher);
1936         }
1937
1938         req = skcipher_request_alloc(skcipher, GFP_KERNEL);
1939         if (!req) {
1940                 pr_info("could not allocate skcipher request\n");
1941                 ret = -ENOMEM;
1942                 goto out;
1943         }
1944
1945         skcipher_request_set_callback(req, CRYPTO_TFM_REQ_MAY_BACKLOG,
1946                                       test_skcipher_cb,
1947                                       &amp;sk.result);
1948
1949         /* AES 256 with random key */
1950         get_random_bytes(&amp;key, 32);
1951         if (crypto_skcipher_setkey(skcipher, key, 32)) {
1952                 pr_info("key could not be set\n");
1953                 ret = -EAGAIN;
1954                 goto out;
1955         }
1956
1957         /* IV will be random */
1958         ivdata = kmalloc(16, GFP_KERNEL);
1959         if (!ivdata) {
1960                 pr_info("could not allocate ivdata\n");
1961                 goto out;
1962         }
1963         get_random_bytes(ivdata, 16);
1964
1965         /* Input data will be random */
1966         scratchpad = kmalloc(16, GFP_KERNEL);
1967         if (!scratchpad) {
1968                 pr_info("could not allocate scratchpad\n");
1969                 goto out;
1970         }
1971         get_random_bytes(scratchpad, 16);
1972
1973         sk.tfm = skcipher;
1974         sk.req = req;
1975
1976         /* We encrypt one block */
1977         sg_init_one(&amp;sk.sg, scratchpad, 16);
1978         skcipher_request_set_crypt(req, &amp;sk.sg, &amp;sk.sg, 16, ivdata);
1979         init_completion(&amp;sk.result.completion);
1980
1981         /* encrypt data */
1982         ret = test_skcipher_encdec(&amp;sk, 1);
1983         if (ret)
1984                 goto out;
1985
1986         pr_info("Encryption triggered successfully\n");
1987
1988 out:
1989         if (skcipher)
1990                 crypto_free_skcipher(skcipher);
1991         if (req)
1992                 skcipher_request_free(req);
1993         if (ivdata)
1994                 kfree(ivdata);
1995         if (scratchpad)
1996                 kfree(scratchpad);
1997         return ret;
1998 }
1999     </programlisting>
2000    </sect1>
2001
2002    <sect1><title>Code Example For Use of Operational State Memory With SHASH</title>
2003     <programlisting>
2004
2005 struct sdesc {
2006         struct shash_desc shash;
2007         char ctx[];
2008 };
2009
2010 static struct sdescinit_sdesc(struct crypto_shash *alg)
2011 {
2012         struct sdescsdesc;
2013         int size;
2014
2015         size = sizeof(struct shash_desc) + crypto_shash_descsize(alg);
2016         sdesc = kmalloc(size, GFP_KERNEL);
2017         if (!sdesc)
2018                 return ERR_PTR(-ENOMEM);
2019         sdesc-&gt;shash.tfm = alg;
2020         sdesc-&gt;shash.flags = 0x0;
2021         return sdesc;
2022 }
2023
2024 static int calc_hash(struct crypto_shashalg,
2025                      const unsigned chardata, unsigned int datalen,
2026                      unsigned chardigest) {
2027         struct sdescsdesc;
2028         int ret;
2029
2030         sdesc = init_sdesc(alg);
2031         if (IS_ERR(sdesc)) {
2032                 pr_info("trusted_key: can't alloc %s\n", hash_alg);
2033                 return PTR_ERR(sdesc);
2034         }
2035
2036         ret = crypto_shash_digest(&amp;sdesc-&gt;shash, data, datalen, digest);
2037         kfree(sdesc);
2038         return ret;
2039 }
2040     </programlisting>
2041    </sect1>
2042
2043    <sect1><title>Code Example For Random Number Generator Usage</title>
2044     <programlisting>
2045
2046 static int get_random_numbers(u8 *buf, unsigned int len)
2047 {
2048         struct crypto_rngrng = NULL;
2049         chardrbg = "drbg_nopr_sha256"; /* Hash DRBG with SHA-256, no PR */
2050         int ret;
2051
2052         if (!buf || !len) {
2053                 pr_debug("No output buffer provided\n");
2054                 return -EINVAL;
2055         }
2056
2057         rng = crypto_alloc_rng(drbg, 0, 0);
2058         if (IS_ERR(rng)) {
2059                 pr_debug("could not allocate RNG handle for %s\n", drbg);
2060                 return -PTR_ERR(rng);
2061         }
2062
2063         ret = crypto_rng_get_bytes(rng, buf, len);
2064         if (ret &lt; 0)
2065                 pr_debug("generation of random numbers failed\n");
2066         else if (ret == 0)
2067                 pr_debug("RNG returned no data");
2068         else
2069                 pr_debug("RNG returned %d bytes of data\n", ret);
2070
2071 out:
2072         crypto_free_rng(rng);
2073         return ret;
2074 }
2075     </programlisting>
2076    </sect1>
2077   </chapter>
2078  </book>