Linux内核中的IPSEC实现(6)

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8. 安全协议

与IPSEC相关的安全协议是AH(51)和ESP(50), IPSEC使用这两个协议对普通数据包进行封装, AH只认证不加密, ESP既加密又认证, 当ESP和AH同时使用时, 一般都是先进行ESP封装, 再进行AH封装, 因为AH是对整个IP包进行验证的, 而ESP只验证负载部分.

在IPV4下的AH和ESP的协议实现在net/ipv4/ah4.c和net/ipv4/esp4.c中, 每个协议实现实际是要完成两个结构: struct net_protocol和struct xfrm_type, 前者用于处理接收的该协议类型的IP包, 后者则是IPSEC协议处理.

8.1 AH

8.1.1 初始化

/* net/ipv4/ah4.c */
static int __init ah4_init(void)
{
// 登记AH协议的xfrm协议处理结构
 if (xfrm_register_type(&ah_type, AF_INET) < 0) {
  printk(KERN_INFO "ip ah init: can't add xfrm type\n");
  return -EAGAIN;
 }
// 登记AH协议到IP协议
 if (inet_add_protocol(&ah4_protocol, IPPROTO_AH) < 0) {
  printk(KERN_INFO "ip ah init: can't add protocol\n");
  xfrm_unregister_type(&ah_type, AF_INET);
  return -EAGAIN;
 }
 return 0;
}

8.1.2 IPV4下的AH协议处理结构

// AH协议处理结构, 接收到IPV4包后, 系统根据IP头中的protocol字段选择相应的上层协议处理
// 函数, 当IP协议号是51时, 数据包将调用该结构的handler处理函数:
static struct net_protocol ah4_protocol = {
 .handler = xfrm4_rcv,
 .err_handler = ah4_err,
 .no_policy = 1,
};
AH协议结构的handler函数为xfrm4_rcv, 在net/ipv4/xfrm4_input.c 中定义, 在上一篇中进行了介绍.

// 错误处理, 收到ICMP错误包时的处理情况, 此时的skb包是ICMP包
static void ah4_err(struct sk_buff *skb, u32 info)
{
// 应用层, data指向ICMP错误包里的内部IP头
 struct iphdr *iph = (struct iphdr*)skb->data;
// AH头
 struct ip_auth_hdr *ah = (struct ip_auth_hdr*)(skb->data+(iph->ihl<<2));
 struct xfrm_state *x;
// ICMP错误类型检查, 本处理函数只处理"目的不可达"和"需要分片"两种错误
 if (skb->h.icmph->type != ICMP_DEST_UNREACH ||
     skb->h.icmph->code != ICMP_FRAG_NEEDED)
  return;
// 重新查找SA
 x = xfrm_state_lookup((xfrm_address_t *)&iph->daddr, ah->spi, IPPROTO_AH, AF_INET);
 if (!x)
  return;
 printk(KERN_DEBUG "pmtu discovery on SA AH/%08x/%08x\n",
        ntohl(ah->spi), ntohl(iph->daddr));
 xfrm_state_put(x);
}

8.1.3 AH4协议的IPSEC处理结构

// AH4的xfrm协议处理结构
static struct xfrm_type ah_type =
{
 .description = "AH4",
 .owner  = THIS_MODULE,
 .proto       = IPPROTO_AH,
// 状态初始化
 .init_state = ah_init_state,
// 协议释放
 .destructor = ah_destroy,
// 协议输入
 .input  = ah_input,
// 协议输出
 .output  = ah_output
};
结构的重点是input和ouput函数

8.1.3.1 状态初始化
ah_data数据结构:
/* include/net/ah.h */
struct ah_data
{
// **指针
 u8   *key;
// **长度
 int   key_len;
// 工作初始化向量
 u8   *work_icv;
// 初始化向量完整长度
 int   icv_full_len;
// 初始化向量截断长度
 int   icv_trunc_len;
// HASH算法
 struct crypto_hash *tfm;
};

// 该函数被xfrm状态(SA)初始化函数xfrm_init_state调用
// 用来生成SA中所用的AH数据处理结构相关信息
static int ah_init_state(struct xfrm_state *x)
{
 struct ah_data *ahp = NULL;
 struct xfrm_algo_desc *aalg_desc;
 struct crypto_hash *tfm;
// 对AH协议的SA, 认证算法是必须的, 否则就没法进行AH认证了
 if (!x->aalg)
  goto error;
 /* null auth can use a zero length key */
// 认证算法**长度要大于512
 if (x->aalg->alg_key_len > 512)
  goto error;
// 如果要进行UDP封装(进行NAT穿越), 错误, 因为AH是不支持NAT的
 if (x->encap)
  goto error;
// 分配ah_data数据结构空间
 ahp = kzalloc(sizeof(*ahp), GFP_KERNEL);
 if (ahp == NULL)
  return -ENOMEM;
// 设置AH数据结构的**和长度
 ahp->key = x->aalg->alg_key;
 ahp->key_len = (x->aalg->alg_key_len+7)/8;
// 分配认证算法HASH结构指针并赋值给AH数据结构
// 算法是固定相同的, 但在每个应用使用算法时的上下文是不同的, 该结构就是描述具体应用
// 时的相关处理的上下文数据的
 tfm = crypto_alloc_hash(x->aalg->alg_name, 0, CRYPTO_ALG_ASYNC);
 if (IS_ERR(tfm))
  goto error;
 ahp->tfm = tfm;
// 设置认证算法**
 if (crypto_hash_setkey(tfm, ahp->key, ahp->key_len))
  goto error;

 /*
  * Lookup the algorithm description maintained by xfrm_algo,
  * verify crypto transform properties, and store information
  * we need for AH processing.  This lookup cannot fail here
  * after a successful crypto_alloc_hash().
  */
// 分配算法描述结构
 aalg_desc = xfrm_aalg_get_byname(x->aalg->alg_name, 0);
 BUG_ON(!aalg_desc);
 if (aalg_desc->uinfo.auth.icv_fullbits/8 !=
     crypto_hash_digestsize(tfm)) {
  printk(KERN_INFO "AH: %s digestsize %u != %hu\n",
         x->aalg->alg_name, crypto_hash_digestsize(tfm),
         aalg_desc->uinfo.auth.icv_fullbits/8);
  goto error;
 }
// AH数据结构的初始化向量的总长和截断长度的赋值 
 ahp->icv_full_len = aalg_desc->uinfo.auth.icv_fullbits/8;
 ahp->icv_trunc_len = aalg_desc->uinfo.auth.icv_truncbits/8;

 BUG_ON(ahp->icv_trunc_len > MAX_AH_AUTH_LEN);
// 分配初始化向量空间, 没对其赋值, 其初始值就是随机值, 这也是初始化向量所需要的
 ahp->work_icv = kmalloc(ahp->icv_full_len, GFP_KERNEL);
 if (!ahp->work_icv)
  goto error;
// AH类型SA中AH头长度: ip_auth_hdr结构和初始化向量长度, 按8字节对齐 
// 反映在AH封装操作时要将数据包增加的长度
 x->props.header_len = XFRM_ALIGN8(sizeof(struct ip_auth_hdr) + ahp->icv_trunc_len);
// 如果是通道模式, 增加IP头长度
 if (x->props.mode == XFRM_MODE_TUNNEL)
  x->props.header_len += sizeof(struct iphdr);
// SA数据指向AH数据结构
 x->data = ahp;
 return 0;
error:
 if (ahp) {
  kfree(ahp->work_icv);
  crypto_free_hash(ahp->tfm);
  kfree(ahp);
 }
 return -EINVAL;
}

8.1.3.2 协议释放
// 该函数被xfrm状态(SA)释放函数xfrm_state_gc_destroy()调用
static void ah_destroy(struct xfrm_state *x)
{
 struct ah_data *ahp = x->data;
 if (!ahp)
  return;
// 释放初始化向量空间
 kfree(ahp->work_icv);
 ahp->work_icv = NULL;
// 算法描述释放
 crypto_free_hash(ahp->tfm);
 ahp->tfm = NULL;
// AH数据结构释放
 kfree(ahp);
}

8.1.3.3 协议输入

// 接收数据处理, 在xfrm4_rcv_encap()函数中调用
// 进行AH认证, 剥离AH头
static int ah_input(struct xfrm_state *x, struct sk_buff *skb)
{
 int ah_hlen;
 int ihl;
 int err = -EINVAL;
 struct iphdr *iph;
 struct ip_auth_hdr *ah;
 struct ah_data *ahp;
// IP头备份空间
 char work_buf[60];
// skb数据包要准备留出AH头空间
 if (!pskb_may_pull(skb, sizeof(struct ip_auth_hdr)))
  goto out;
// IP上层数据为AH数据
 ah = (struct ip_auth_hdr*)skb->data;
// SA相关的AH处理数据
 ahp = x->data;
 ah_hlen = (ah->hdrlen + 2) << 2;
// AH头部长度合法性检查
 if (ah_hlen != XFRM_ALIGN8(sizeof(struct ip_auth_hdr) + ahp->icv_full_len) &&
     ah_hlen != XFRM_ALIGN8(sizeof(struct ip_auth_hdr) + ahp->icv_trunc_len))
  goto out;
// skb数据包要准备留出实际AH头空间
 if (!pskb_may_pull(skb, ah_hlen))
  goto out;
 /* We are going to _remove_ AH header to keep sockets happy,
  * so... Later this can change. */
// 对于clone的包要复制成独立包
 if (skb_cloned(skb) &&
     pskb_expand_head(skb, 0, 0, GFP_ATOMIC))
  goto out;
 skb->ip_summed = CHECKSUM_NONE;
// 可能包已经进行了复制, 所以对ah重新赋值
 ah = (struct ip_auth_hdr*)skb->data;
 iph = skb->nh.iph;
// IP头长度
 ihl = skb->data - skb->nh.raw;
// 备份外部IP头数据
 memcpy(work_buf, iph, ihl);
// 将IP头中的一些参数清零, 这些参数不进行认证
 iph->ttl = 0;
 iph->tos = 0;
 iph->frag_off = 0;
 iph->check = 0;
// IP头长度超过20字节时,处理IP选项参数
 if (ihl > sizeof(*iph)) {
  u32 dummy;
  if (ip_clear_mutable_options(iph, &dummy))
   goto out;
 }
        {
// 认证数据缓冲区
  u8 auth_data[MAX_AH_AUTH_LEN];
// 拷贝数据包中的认证数据到缓冲区
  memcpy(auth_data, ah->auth_data, ahp->icv_trunc_len);
// 包括IP头部分数据
  skb_push(skb, ihl);
// 计算认证值是否匹配, 非0表示出错
  err = ah_mac_digest(ahp, skb, ah->auth_data);
// 认证失败返回错误
  if (err)
   goto out;
  err = -EINVAL;
// 复制一定长度的认证数据作为初始化向量
  if (memcmp(ahp->work_icv, auth_data, ahp->icv_trunc_len)) {
   x->stats.integrity_failed++;
   goto out;
  }
 }
// 将备份的IP头缓冲区中的协议改为AH内部包裹的协议
 ((struct iphdr*)work_buf)->protocol = ah->nexthdr;
// 将原来IP头数据拷贝到原来AH头后面作为新IP头
 skb->h.raw = memcpy(skb->nh.raw += ah_hlen, work_buf, ihl);
// skb包缩减原来的IP头和AH头, 以新IP头作为数据开始
 __skb_pull(skb, ah_hlen + ihl);
 return 0;
out:
 return err;
}

8.1.3.4 协议输出

// 发送数据处理, 在xfrm4_output_one()中调用
// 计算AH认证值, 添加AH头
static int ah_output(struct xfrm_state *x, struct sk_buff *skb)
{
 int err;
 struct iphdr *iph, *top_iph;
 struct ip_auth_hdr *ah;
 struct ah_data *ahp;
// 临时IP头缓冲区, 最大IP头60字节
 union {
  struct iphdr iph;
  char   buf[60];
 } tmp_iph;
// 当前的IP头将作为最外部IP头
 top_iph = skb->nh.iph;
// 临时IP头,用于临时保存IP头内部分字段数据
 iph = &tmp_iph.iph;
// 将当前IP头中不进行认证的字段数据复制到临时IP头
 iph->tos = top_iph->tos;
 iph->ttl = top_iph->ttl;
 iph->frag_off = top_iph->frag_off;
// 如果有IP选项, 处理IP选项
 if (top_iph->ihl != 5) {
  iph->daddr = top_iph->daddr;
  memcpy(iph+1, top_iph+1, top_iph->ihl*4 - sizeof(struct iphdr));
  err = ip_clear_mutable_options(top_iph, &top_iph->daddr);
  if (err)
   goto error;
 }
// AH头定位在外部IP头后面, skb缓冲中已经预留出AH头的数据部分了,
// 这是通过mode->output函数预留的, 通常调用type->output前要调用mode->oputput
 ah = (struct ip_auth_hdr *)((char *)top_iph+top_iph->ihl*4);
// AH中的下一个头用原来的外部IP头中的协议
 ah->nexthdr = top_iph->protocol;
// 将外部IP头的不进行认证计算的部分字段清零
 top_iph->tos = 0;
 top_iph->tot_len = htons(skb->len);
 top_iph->frag_off = 0;
 top_iph->ttl = 0;
// IP协议改为AH
 top_iph->protocol = IPPROTO_AH;
 top_iph->check = 0;
// AH数据处理结构
 ahp = x->data;
// AH头长度对齐
 ah->hdrlen  = (XFRM_ALIGN8(sizeof(struct ip_auth_hdr) +
       ahp->icv_trunc_len) >> 2) - 2;
// AH头参数赋值
 ah->reserved = 0;
// SPI值
 ah->spi = x->id.spi;
// ***
 ah->seq_no = htonl(++x->replay.oseq);
// 通知防止重放攻击处理, 更新***
 xfrm_aevent_doreplay(x);
// 对skb进行AH认证值的计算
 err = ah_mac_digest(ahp, skb, ah->auth_data);
 if (err)
  goto error;
// 赋值初始化向量值到认证数据部分
 memcpy(ah->auth_data, ahp->work_icv, ahp->icv_trunc_len);
// 恢复原来IP头的的不认证部分的值
 top_iph->tos = iph->tos;
 top_iph->ttl = iph->ttl;
 top_iph->frag_off = iph->frag_off;
 if (top_iph->ihl != 5) {
  top_iph->daddr = iph->daddr;
  memcpy(top_iph+1, iph+1, top_iph->ihl*4 - sizeof(struct iphdr));
 }
// 重新计算IP头的认证值
 ip_send_check(top_iph);
 err = 0;
error:
 return err;
}

8.2 ESP

8.2.1 初始化

/* net/ipv4/esp4.c */
static int __init esp4_init(void)
{
// 登记ESP协议的xfrm协议处理结构
 if (xfrm_register_type(&esp_type, AF_INET) < 0) {
  printk(KERN_INFO "ip esp init: can't add xfrm type\n");
  return -EAGAIN;
 }
// 登记ESP协议到IP协议
 if (inet_add_protocol(&esp4_protocol, IPPROTO_ESP) < 0) {
  printk(KERN_INFO "ip esp init: can't add protocol\n");
  xfrm_unregister_type(&esp_type, AF_INET);
  return -EAGAIN;
 }
 return 0;
}

8.2.2 IPV4下的ESP协议处理结构

// ESP协议处理结构, 接收到IPV4包后, 系统根据IP头中的protocol
// 字段选择相应的上层协议处理函数, 当IP协议号是50时, 数据包将
// 调用该结构的handler处理函数:
static struct net_protocol esp4_protocol = {
 .handler = xfrm4_rcv,
 .err_handler = esp4_err,
 .no_policy = 1,
};

ESP协议结构的handler函数也是xfrm4_rcv, 在net/ipv4/xfrm4_input.c 中定义,
在上一篇中进行了介绍.

// 错误处理, 收到ICMP错误包时的处理情况, 此时的skb包是ICMP包
static void esp4_err(struct sk_buff *skb, u32 info)
{
// 应用层, data指向ICMP错误包里的内部IP头
 struct iphdr *iph = (struct iphdr*)skb->data;
// ESP头
 struct ip_esp_hdr *esph = (struct ip_esp_hdr*)(skb->data+(iph->ihl<<2));
 struct xfrm_state *x;
// ICMP错误类型检查, 本处理函数只处理"目的不可达"和"需要分片"两种错误
 if (skb->h.icmph->type != ICMP_DEST_UNREACH ||
     skb->h.icmph->code != ICMP_FRAG_NEEDED)
  return;
// 重新查找SA
 x = xfrm_state_lookup((xfrm_address_t *)&iph->daddr, esph->spi, IPPROTO_ESP, AF_INET);
 if (!x)
  return;
 NETDEBUG(KERN_DEBUG "pmtu discovery on SA ESP/%08x/%08x\n",
   ntohl(esph->spi), ntohl(iph->daddr));
 xfrm_state_put(x);
}

8.2.3 ESP4协议的IPSEC处理结构

static struct xfrm_type esp_type =
{
 .description = "ESP4",
 .owner  = THIS_MODULE,
 .proto       = IPPROTO_ESP,
// 状态初始化
 .init_state = esp_init_state,
// 协议释放
 .destructor = esp_destroy,
// 计算最大长度
 .get_max_size = esp4_get_max_size,
// 协议输入
 .input  = esp_input,
// 协议输出
 .output  = esp_output
};

8.2.3.1 状态初始化
esp_data数据结构:
/* include/net/esp.h */
struct esp_data
{
 struct scatterlist  sgbuf[ESP_NUM_FAST_SG];
 /* Confidentiality */
// 加密使用的相关数据
 struct {
// **
  u8   *key;  /* Key */
// **长度
  int   key_len; /* Key length */
// 填充长度
  int   padlen;  /* 0..255 */
  /* ivlen is offset from enc_data, where encrypted data start.
   * It is logically different of crypto_tfm_alg_ivsize(tfm).
   * We assume that it is either zero (no ivec), or
   * >= crypto_tfm_alg_ivsize(tfm). */
// 初始化向量长度
  int   ivlen;
// 初始化向量是否初始化标志
  int   ivinitted;
// 初始化向量
  u8   *ivec;  /* ivec buffer */
// 加密算法
  struct crypto_blkcipher *tfm;  /* crypto handle */
 } conf;
 /* Integrity. It is active when icv_full_len != 0 */
// 认证使用的相关数据
 struct {
// **
  u8   *key;  /* Key */
// **长度
  int   key_len; /* Length of the key */
// 初始化向量
  u8   *work_icv;
// 初始化向量全长
  int   icv_full_len;
// 初始化向量截断长度
  int   icv_trunc_len;
// 初始化向量更新函数, 好象没用
  void   (*icv)(struct esp_data*,
                                 struct sk_buff *skb,
                                 int offset, int len, u8 *icv);
// HASH算法
  struct crypto_hash *tfm;
 } auth;
};
// ESP的esp_data数据结构初始化
static int esp_init_state(struct xfrm_state *x)
{
 struct esp_data *esp = NULL;
 struct crypto_blkcipher *tfm;
 /* null auth and encryption can have zero length keys */
// 如果有认证算法, **至少512, ESP的认证处理是可选的, 但在实际中都会使用认证
 if (x->aalg) {
  if (x->aalg->alg_key_len > 512)
   goto error;
 }
// ESP加密算法是必须的
 if (x->ealg == NULL)
  goto error;
// 分配esp_data数据结构空间
 esp = kzalloc(sizeof(*esp), GFP_KERNEL);
 if (esp == NULL)
  return -ENOMEM;
// 如果定义了认证算法, 初始化认证算法参数, 和AH类似
 if (x->aalg) {
  struct xfrm_algo_desc *aalg_desc;
  struct crypto_hash *hash;
// 认证**和长度设置
  esp->auth.key = x->aalg->alg_key;
  esp->auth.key_len = (x->aalg->alg_key_len+7)/8;
// 分配HASH算法的实现
  hash = crypto_alloc_hash(x->aalg->alg_name, 0,
      CRYPTO_ALG_ASYNC);
  if (IS_ERR(hash))
   goto error;
  esp->auth.tfm = hash;
// 设置HASH算法**
  if (crypto_hash_setkey(hash, esp->auth.key, esp->auth.key_len))
   goto error;
// 找到算法描述
  aalg_desc = xfrm_aalg_get_byname(x->aalg->alg_name, 0);
  BUG_ON(!aalg_desc);
// 检查算法初始化向量长度合法性
  if (aalg_desc->uinfo.auth.icv_fullbits/8 !=
      crypto_hash_digestsize(hash)) {
   NETDEBUG(KERN_INFO "ESP: %s digestsize %u != %hu\n",
     x->aalg->alg_name,
     crypto_hash_digestsize(hash),
     aalg_desc->uinfo.auth.icv_fullbits/8);
   goto error;
  }
// 初始化向量的全长和截断长度
  esp->auth.icv_full_len = aalg_desc->uinfo.auth.icv_fullbits/8;
  esp->auth.icv_trunc_len = aalg_desc->uinfo.auth.icv_truncbits/8;
// 分配全长度的初始化向量空间
  esp->auth.work_icv = kmalloc(esp->auth.icv_full_len, GFP_KERNEL);
  if (!esp->auth.work_icv)
   goto error;
 }
// 初始化加密算法相关参数, ESP使用的加密算法都是对称块加密算法, 不可能用非对称算法的
// 加***
 esp->conf.key = x->ealg->alg_key;
// 加***长度
 esp->conf.key_len = (x->ealg->alg_key_len+7)/8;
// 分配加密算法的具体实现结构
 tfm = crypto_alloc_blkcipher(x->ealg->alg_name, 0, CRYPTO_ALG_ASYNC);
 if (IS_ERR(tfm))
  goto error;
 esp->conf.tfm = tfm;
// 初始化向量大小
 esp->conf.ivlen = crypto_blkcipher_ivsize(tfm);
// 填充数据长度初始化为0
 esp->conf.padlen = 0;
// 初始化向量长度非0, 分配具体的初始化向量空间
 if (esp->conf.ivlen) {
  esp->conf.ivec = kmalloc(esp->conf.ivlen, GFP_KERNEL);
  if (unlikely(esp->conf.ivec == NULL))
   goto error;
  esp->conf.ivinitted = 0;
 }
// 设置加密算法**
 if (crypto_blkcipher_setkey(tfm, esp->conf.key, esp->conf.key_len))
  goto error;
// 定义SA中ESP头部长度: ESP头加初始化向量长度
// 反映在ESP封装操作时要将数据包增加的长度
 x->props.header_len = sizeof(struct ip_esp_hdr) + esp->conf.ivlen;
// 如果是通道模式, 还需要增加IP头长度
 if (x->props.mode == XFRM_MODE_TUNNEL)
  x->props.header_len += sizeof(struct iphdr);
// 如果要进行UDP封装
 if (x->encap) {
  struct xfrm_encap_tmpl *encap = x->encap;
  switch (encap->encap_type) {
  default:
   goto error;
  case UDP_ENCAP_ESPINUDP:
// 该类型封装增加UDP头长度
   x->props.header_len += sizeof(struct udphdr);
   break;
  case UDP_ENCAP_ESPINUDP_NON_IKE:
// 该类型封装增加UDP头长度外加加8字节
   x->props.header_len += sizeof(struct udphdr) + 2 * sizeof(u32);
   break;
  }
 }
// 将esp_data作为SA的data指针
 x->data = esp;
// 追踪长度, 最大增加长度和当前的计算的增加长度的差值,在路由时会用到
// 对于AH, 由于没有定义get_max_size(), 该值位0
 x->props.trailer_len = esp4_get_max_size(x, 0) - x->props.header_len;
 return 0;
error:
 x->data = esp;
 esp_destroy(x);
 x->data = NULL;
 return -EINVAL;
}

8.2.3.2 协议释放

// 该函数被xfrm状态(SA)释放函数xfrm_state_gc_destroy()调用
static void esp_destroy(struct xfrm_state *x)
{
 struct esp_data *esp = x->data;
 if (!esp)
  return;
// 释放加密算法
 crypto_free_blkcipher(esp->conf.tfm);
 esp->conf.tfm = NULL;
// 释放加密初始化向量
 kfree(esp->conf.ivec);
 esp->conf.ivec = NULL;
// 释放认证算法
 crypto_free_hash(esp->auth.tfm);
 esp->auth.tfm = NULL;
// 释放认证初始化向量
 kfree(esp->auth.work_icv);
 esp->auth.work_icv = NULL;
// 释放esp_data
 kfree(esp);
}

8.2.3.3 计算最大长度

// 在xfrm_state_mtu()函数中调用, 计算最大增加的数据长度
// AH中没有该函数, 增加的长度使用x->props.header_len
static u32 esp4_get_max_size(struct xfrm_state *x, int mtu)
{
 struct esp_data *esp = x->data;
// 加密块长度, 按4字节对齐
 u32 blksize = ALIGN(crypto_blkcipher_blocksize(esp->conf.tfm), 4);
 int enclen = 0;
 switch (x->props.mode) {
 case XFRM_MODE_TUNNEL:
// 通道模式下的MTU, 按加密块大小对齐, +2是要包括2字节数据长度
  mtu = ALIGN(mtu +2, blksize);
  break;
 default:
 case XFRM_MODE_TRANSPORT:
  /* The worst case */
// 传输模式下, MTU先按4字节对齐, 再加块长度减4
  mtu = ALIGN(mtu + 2, 4) + blksize - 4;
  break;
 case XFRM_MODE_BEET:
   /* The worst case. */
  enclen = IPV4_BEET_PHMAXLEN;
  mtu = ALIGN(mtu + enclen + 2, blksize);
  break;
 }
// 如果加密算法中定义了填充长度, MTU也要按填充长度对齐
 if (esp->conf.padlen)
  mtu = ALIGN(mtu, esp->conf.padlen);
// 返回MTU加提议中需要增加的头部长度和认证初始化向量的截断长度
// enclen只在BEET模式下非0, 在通道和传输模式下都是0
 return mtu + x->props.header_len + esp->auth.icv_trunc_len - enclen;
}

8.2.3.4 协议输入

struct scatterlist结构说明:
/* include/asm-i386/scatterlist.h */
struct scatterlist {
    struct page  *page;
    unsigned int offset;
    dma_addr_t  dma_address;
    unsigned int length;
};

/*
 * Note: detecting truncated vs. non-truncated authentication data is very
 * expensive, so we only support truncated data, which is the recommended
 * and common case.
 */
// 接收数据处理, 在xfrm4_rcv_encap()函数中调用
// 进行ESP认证解密, 剥离ESP头, 解密成普通数据包, 数据包长度减少
// 输入的数据包是ESP包
static int esp_input(struct xfrm_state *x, struct sk_buff *skb)
{
 struct iphdr *iph;
 struct ip_esp_hdr *esph;
 struct esp_data *esp = x->data;
 struct crypto_blkcipher *tfm = esp->conf.tfm;
 struct blkcipher_desc desc = { .tfm = tfm };
 struct sk_buff *trailer;
 int blksize = ALIGN(crypto_blkcipher_blocksize(tfm), 4);
// 认证初始化向量截断长度
 int alen = esp->auth.icv_trunc_len;
// 需要加密的数据长度: 总长减ESP头, 加密初始化向量长度, 认证初始化向量长度
 int elen = skb->len - sizeof(struct ip_esp_hdr) - esp->conf.ivlen - alen;
 int nfrags;
 int ihl;
 u8 nexthdr[2];
 struct scatterlist *sg;
 int padlen;
 int err;
// 在skb头留出ESP头的空间
 if (!pskb_may_pull(skb, sizeof(struct ip_esp_hdr)))
  goto out;
// 检查需要加密的数据长度, 必须大于0而且按块大小对齐的
 if (elen <= 0 || (elen & (blksize-1)))
  goto out;
 /* If integrity check is required, do this. */
// 认证计算处理
 if (esp->auth.icv_full_len) {
  u8 sum[alen];
// 计算认证值, 认证值保存在esp_data结构中
  err = esp_mac_digest(esp, skb, 0, skb->len - alen);
  if (err)
   goto out;
// 将skb中的认证初始化向量部分数据拷贝到缓冲区sum中
  if (skb_copy_bits(skb, skb->len - alen, sum, alen))
   BUG();
// 比较sum中的向量值和认证算法结构中的向量值是否匹配, 数据包正常情况下应该是相同的
  if (unlikely(memcmp(esp->auth.work_icv, sum, alen))) {
   x->stats.integrity_failed++;
   goto out;
  }
 }
// 使数据包是可写的
 if ((nfrags = skb_cow_data(skb, 0, &trailer)) < 0)
  goto out;
 skb->ip_summed = CHECKSUM_NONE;
// 定位在数据包中的ESP头位置, 为当前的data位置
 esph = (struct ip_esp_hdr*)skb->data;
 /* Get ivec. This can be wrong, check against another impls. */
// 设置加密算法的初始化向量
 if (esp->conf.ivlen)
  crypto_blkcipher_set_iv(tfm, esph->enc_data, esp->conf.ivlen);
 sg = &esp->sgbuf[0];
 if (unlikely(nfrags > ESP_NUM_FAST_SG)) {
  sg = kmalloc(sizeof(struct scatterlist)*nfrags, GFP_ATOMIC);
  if (!sg)
   goto out;
 }
 skb_to_sgvec(skb, sg, sizeof(struct ip_esp_hdr) + esp->conf.ivlen, elen);
// 解密操作, 返回非0表示失败
 err = crypto_blkcipher_decrypt(&desc, sg, sg, elen);
 if (unlikely(sg != &esp->sgbuf[0]))
  kfree(sg);
// 解密失败返回
 if (unlikely(err))
  return err;
// 拷贝两字节数据
 if (skb_copy_bits(skb, skb->len-alen-2, nexthdr, 2))
  BUG();
 padlen = nexthdr[0];
 if (padlen+2 >= elen)
  goto out;
 /* ... check padding bits here. Silly. :-) */
// 新的IP头
 iph = skb->nh.iph;
 ihl = iph->ihl * 4;
// 如果是NAT穿越情况, 进行一些处理
 if (x->encap) {
// xfrm封装模板
  struct xfrm_encap_tmpl *encap = x->encap;
// 定位UDP数据头位置, 在IP头之后
  struct udphdr *uh = (void *)(skb->nh.raw + ihl);
  /*
   * 1) if the NAT-T peer's IP or port changed then
   *    advertize the change to the keying daemon.
   *    This is an inbound SA, so just compare
   *    SRC ports.
   */
// 如果IP头源地址和SA提议中的源地址不同或源端口不同
  if (iph->saddr != x->props.saddr.a4 ||
      uh->source != encap->encap_sport) {
   xfrm_address_t ipaddr;
// 保存当前IP头源地址
   ipaddr.a4 = iph->saddr;
// 进行NAT通知回调处理
   km_new_mapping(x, &ipaddr, uh->source);

   /* XXX: perhaps add an extra
    * policy check here, to see
    * if we should allow or
    * reject a packet from a
    * different source
    * address/port.
    */
  }

  /*
   * 2) ignore UDP/TCP checksums in case
   *    of NAT-T in Transport Mode, or
   *    perform other post-processing fixes
   *    as per draft-ietf-ipsec-udp-encaps-06,
   *    section 3.1.2
   */
// 如果是传输模式或BEET模式, 设置不需要计算校验和
  if (x->props.mode == XFRM_MODE_TRANSPORT ||
      x->props.mode == XFRM_MODE_BEET)
   skb->ip_summed = CHECKSUM_UNNECESSARY;
 }
// 新IP头中协议
 iph->protocol = nexthdr[1];
// 缩减skb数据包长度
 pskb_trim(skb, skb->len - alen - padlen - 2);
// 重新定位IP上层数据头位置
 skb->h.raw = __skb_pull(skb, sizeof(*esph) + esp->conf.ivlen) - ihl;
 return 0;
out:
 return -EINVAL;
}

8.2.3.4 协议输出

// 发送数据处理, 在xfrm4_output_one()中调用
// 添加ESP头, 对数据包进行加密和认证处理, 数据包长度扩大
// 在NAT穿越情况下会封装为UDP数据
static int esp_output(struct xfrm_state *x, struct sk_buff *skb)
{
 int err;
 struct iphdr *top_iph;
 struct ip_esp_hdr *esph;
 struct crypto_blkcipher *tfm;
 struct blkcipher_desc desc;
 struct esp_data *esp;
 struct sk_buff *trailer;
 int blksize;
 int clen;
 int alen;
 int nfrags;
 /* Strip IP+ESP header. */
// 缩减skb数据, 减去IP头和ESP头, 剩下的数据就是要进行加密和认证的部分
 __skb_pull(skb, skb->h.raw - skb->data);
 /* Now skb is pure payload to encrypt */
 err = -ENOMEM;
 /* Round to block size */
// 加密块的初始值
 clen = skb->len;
// 获取SA的esp_data数据结构
 esp = x->data;
// 认证初始化向量截断长度
 alen = esp->auth.icv_trunc_len;
// 加密算法
 tfm = esp->conf.tfm;
// 给块加密算法描述结构赋值
 desc.tfm = tfm;
 desc.flags = 0;
// 每个加密块大小
 blksize = ALIGN(crypto_blkcipher_blocksize(tfm), 4);
// 对齐要加密的数据总长
 clen = ALIGN(clen + 2, blksize);
// 如果要考虑填充, 继续对齐
 if (esp->conf.padlen)
  clen = ALIGN(clen, esp->conf.padlen);
// 使数据包可写
 if ((nfrags = skb_cow_data(skb, clen-skb->len+alen, &trailer)) < 0)
  goto error;
 /* Fill padding... */
// 长度对齐后填充多余长度部分内容
 do {
  int i;
  for (i=0; i<clen-skb->len - 2; i++)
   *(u8*)(trailer->tail + i) = i+1;
 } while (0);
// 最后两字节表示填充数据的长度
 *(u8*)(trailer->tail + clen-skb->len - 2) = (clen - skb->len)-2;
 pskb_put(skb, trailer, clen - skb->len);
// 在将IP头部分扩展回来
 __skb_push(skb, skb->data - skb->nh.raw);
// 现在的IP头作为外部IP头
 top_iph = skb->nh.iph;
// esp头跟在IP头后
 esph = (struct ip_esp_hdr *)(skb->nh.raw + top_iph->ihl*4);
// 数据总长增加认证部分长度
 top_iph->tot_len = htons(skb->len + alen);
 *(u8*)(trailer->tail - 1) = top_iph->protocol;
 /* this is non-NULL only with UDP Encapsulation */
 if (x->encap) {
// NAT穿越情况下要将数据封装为UDP包
  struct xfrm_encap_tmpl *encap = x->encap;
  struct udphdr *uh;
  u32 *udpdata32;
// IP头后改为UDP头
  uh = (struct udphdr *)esph;
// 填充UDP头参数, 源端口, 目的端口, UDP数据长度
  uh->source = encap->encap_sport;
  uh->dest = encap->encap_dport;
  uh->len = htons(skb->len + alen - top_iph->ihl*4);
// 校验和为0, 表示不需要计算校验和, ESP本身就进行认证了
  uh->check = 0;
  switch (encap->encap_type) {
  default:
  case UDP_ENCAP_ESPINUDP:
// 在该模式下ESP头跟在UDP头后面
   esph = (struct ip_esp_hdr *)(uh + 1);
   break;
  case UDP_ENCAP_ESPINUDP_NON_IKE:
// 在该模式下ESP头跟在UDP头后面8字节处
   udpdata32 = (u32 *)(uh + 1);
   udpdata32[0] = udpdata32[1] = 0;
   esph = (struct ip_esp_hdr *)(udpdata32 + 2);
   break;
  }
// 外部IP头协议是UDP
  top_iph->protocol = IPPROTO_UDP;
 } else
// 非NAT穿越情况下, 外部IP头中的协议是ESP
  top_iph->protocol = IPPROTO_ESP;
// 填充ESP头中的SPI和***
 esph->spi = x->id.spi;
 esph->seq_no = htonl(++x->replay.oseq);
// ***更新通知回调
 xfrm_aevent_doreplay(x);
// 如果加密初始化向量长度非零, 设置加密算法中的初始化向量
 if (esp->conf.ivlen) {
  if (unlikely(!esp->conf.ivinitted)) {
   get_random_bytes(esp->conf.ivec, esp->conf.ivlen);
   esp->conf.ivinitted = 1;
  }
  crypto_blkcipher_set_iv(tfm, esp->conf.ivec, esp->conf.ivlen);
 }
// 加密操作
 do {
  struct scatterlist *sg = &esp->sgbuf[0];
  if (unlikely(nfrags > ESP_NUM_FAST_SG)) {
   sg = kmalloc(sizeof(struct scatterlist)*nfrags, GFP_ATOMIC);
   if (!sg)
    goto error;
  }
  skb_to_sgvec(skb, sg, esph->enc_data+esp->conf.ivlen-skb->data, clen);
// 对数据加密
  err = crypto_blkcipher_encrypt(&desc, sg, sg, clen);
  if (unlikely(sg != &esp->sgbuf[0]))
   kfree(sg);
 } while (0);
 if (unlikely(err))
  goto error;
// 将加密算法初始化向量拷贝到数据包
 if (esp->conf.ivlen) {
  memcpy(esph->enc_data, esp->conf.ivec, esp->conf.ivlen);
  crypto_blkcipher_get_iv(tfm, esp->conf.ivec, esp->conf.ivlen);
 }
// 认证计算, 计算出HASH值并拷贝到数据包中
 if (esp->auth.icv_full_len) {
  err = esp_mac_digest(esp, skb, (u8 *)esph - skb->data,
         sizeof(*esph) + esp->conf.ivlen + clen);
  memcpy(pskb_put(skb, trailer, alen), esp->auth.work_icv, alen);
 }
// 重新计算外部IP头校验和
 ip_send_check(top_iph);
error:
 return err;
}

...... 待续 ......