内核国密算法
Linux 内核上游社区从 5.10 版本开始已经陆续支持了国密算法，到目前为止，x86和arm64架构上的国密的指令集优化也陆续得到内核的支持。
内核作为操作系统最重要的组件，对于国密的支持已经比较完善，就国密算法 SM3、 SM4 的优化来说，也仅仅略差于老牌的国际主流算法，在最近发布的 Linux 6.2 中，龙蜥社区对 arm64 架构的国密支持了众多的模式优化，成为 6.2 版本 Top 20 的活跃开发者：https://lwn.net/Articles/923410。
龙蜥社区 ANCK 5.10 内核已经全部支持了上游的这些国密和算法优化，通过 Anolis OS 提供给用户。
以下几张表格总结了目前内核已经实现的国密相关算法的一些具体情况，包括算法优先级（优先级越大性能越高，同一个算法内核会优先选择优先级高的实现），依赖指令（具体架构上依赖的CPU SIMD指令），内部驱动（可以认为是更详细的算法名称，可以通过这个名称引用该实现）。
类型字段是算法的类型，目前跟国密相关的几个类型如下：
- akcipher：非对称算法
- shash：哈希算法
- cipher：对称算法，只实现了单个分组的加解密
- skcipher：对称算法，与模式相结合的算法
- aead：带认证的对称算法
软件实现
国密的软件实现是最早被引入内核的国密算法实现，软件实现不依赖任何特殊指令，适用于任何架构，但效率较低，在不支持优化的平台上可以选择使用软件实现的国密方案。
SM2 是非对称算法，目前在内核中主要用于验签和完整性检查，由于算法自身输入数据量小且调用频度不高，优化带来的收益不大，因此，Linux 内核中的SM2算法目前只有软件实现。
| 算法 | 类型 | 内部驱动 | 优先级 | 模块名 |
|---|---|---|---|---|
| SM2 | akcipher | sm2-generic | 100 | sm2-generic |
| SM3 | shash | sm3-generic | 100 | sm3-generic |
| SM4 | cipher | sm4-generic | 100 | sm4-generic |
x86 架构指令集优化
在x86架构上，主要是使用 AVX/AVX2 指令集对国密算法做的优化。
| 算法 | 类型 | 内部驱动 | 优先级 | 模块名 | 依赖指令 |
|---|---|---|---|---|---|
| SM3 | shash | sm3-avx | 300 | sm3-avx-x86_64 | avx/bmi2 |
| SM4-ECB | skcipher | ecb-sm4-aesni-avx | 400 | sm4-aesni-avx-x86_64 | avx/aesni |
| SM4-CBC | skcipher | cbc-sm4-aesni-avx | 400 | sm4-aesni-avx-x86_64 | avx/aesni |
| SM4-CFB | skcipher | cfb-sm4-aesni-avx | 400 | sm4-aesni-avx-x86_64 | avx/aesni |
| SM4-CTR | skcipher | ctr-sm4-aesni-avx | 400 | sm4-aesni-avx-x86_64 | avx/aesni |
| SM4-ECB | skcipher | ecb-sm4-aesni-avx2 | 500 | sm4-aesni-avx2-x86_64 | avx2/aesni |
| SM4-CBC | skcipher | cbc-sm4-aesni-avx2 | 500 | sm4-aesni-avx2-x86_64 | avx2/aesni |
| SM4-CFB | skcipher | cfb-sm4-aesni-avx2 | 500 | sm4-aesni-avx2-x86_64 | avx2/aesni |
| SM4-CTR | skcipher | ctr-sm4-aesni-avx2 | 500 | sm4-aesni-avx2-x86_64 | avx2/aesni |
🟢 性能数据
x86 上的性能数据来自Intel i5-6200U 2.30GHz环境，横坐标是输入的数据块大小（单位是字节），性能数据的单位是 Mbyte/s。
下表是 SM3 算法的性能数据，对比了纯软件实现和AVX优化的差异：
update-size | 16 64 256 1024 2048 4096 8192
------------+-------------------------------------------------------
sm3-generic | 105.97 129.60 182.12 189.62 188.06 193.66 194.88
sm3-avx | 119.87 163.05 244.44 260.92 257.60 264.87 265.88
下表是SM4算法的性能数据，分别是纯软件实现，AVX实现和AVX2实现的性能：
block-size | 16 64 128 256 1024 1420 4096
------------+------------------------------------------------------
sm4-generic
ECB enc | 60.94 70.41 72.27 73.02 73.87 73.58 73.59
ECB dec | 61.87 70.53 72.15 73.09 73.89 73.92 73.86
CBC enc | 56.71 66.31 68.05 69.84 70.02 70.12 70.24
CBC dec | 54.54 65.91 68.22 69.51 70.63 70.79 70.82
CFB enc | 57.21 67.24 69.10 70.25 70.73 70.52 71.42
CFB dec | 57.22 64.74 66.31 67.24 67.40 67.64 67.58
CTR enc | 59.47 68.64 69.91 71.02 71.86 71.61 71.95
CTR dec | 59.94 68.77 69.95 71.00 71.84 71.55 71.95
sm4-aesni-avx
ECB enc | 44.95 177.35 292.06 316.98 339.48 322.27 330.59
ECB dec | 45.28 178.66 292.31 317.52 339.59 322.52 331.16
CBC enc | 57.75 67.68 69.72 70.60 71.48 71.63 71.74
CBC dec | 44.32 176.83 284.32 307.24 328.61 312.61 325.82
CFB enc | 57.81 67.64 69.63 70.55 71.40 71.35 71.70
CFB dec | 43.14 167.78 282.03 307.20 328.35 318.24 325.95
CTR enc | 42.35 163.32 279.11 302.93 320.86 310.56 317.93
CTR dec | 42.39 162.81 278.49 302.37 321.11 310.33 318.37
sm4-aesni-avx2
ECB enc | 45.19 177.41 292.42 316.12 339.90 322.53 330.54
ECB dec | 44.83 178.90 291.45 317.31 339.85 322.55 331.07
CBC enc | 57.66 67.62 69.73 70.55 71.58 71.66 71.77
CBC dec | 44.34 176.86 286.10 501.68 559.58 483.87 527.46
CFB enc | 57.43 67.60 69.61 70.52 71.43 71.28 71.65
CFB dec | 43.12 167.75 268.09 499.33 558.35 490.36 524.73
CTR enc | 42.42 163.39 256.17 493.95 552.45 481.58 517.19
CTR dec | 42.49 163.11 256.36 493.34 552.62 481.49 516.83
arm64 架构指令集优化
基于 arm64 架构的国密优化已经很充分，优化的效果也非常明显，比如SM4算法，除了x86架构上的四个模式外，还对 CTS/XTS 模式，AEAD模式 CCM/GCM 以及带密钥的哈希算法做了深度优化，这主要得益于 armv8 开始支持了 SM3/SM4 算法的 Crypto Extensions 扩展。
| 算法 | 类型 | 内部驱动 | 优先级 | 模块名 | 依赖指令 |
|---|---|---|---|---|---|
| SM3 | shash | sm3-neon | 200 | sm3-neon | NEON |
| SM3 | shash | sm3-ce | 400 | sm3-ce | CE-SM3 |
| SM4 | cipher | sm4-ce | 300 | sm4-ce-cipher | CE-SM4 |
| SM4-ECB | skcipher | ecb-sm4-neon | 200 | sm4-neon | NEON |
| SM4-CBC | skcipher | cbc-sm4-neon | 200 | sm4-neon | NEON |
| SM4-CFB | skcipher | cfb-sm4-neon | 200 | sm4-neon | NEON |
| SM4-CTR | skcipher | ctr-sm4-neon | 200 | sm4-neon | NEON |
| SM4-ECB | skcipher | ecb-sm4-ce | 400 | sm4-ce | CE-SM4 |
| SM4-CBC | skcipher | cbc-sm4-ce | 400 | sm4-ce | CE-SM4 |
| SM4-CFB | skcipher | cfb-sm4-ce | 400 | sm4-ce | CE-SM4 |
| SM4-CTR | skcipher | ctr-sm4-ce | 400 | sm4-ce | CE-SM4 |
| SM4-CTS | skcipher | cts-cbc-sm4-ce | 400 | sm4-ce | CE-SM4 |
| SM4-XTS | skcipher | xts-sm4-ce | 400 | sm4-ce | CE-SM4 |
| CMAC-SM4 | shash | cmac-sm4-ce | 400 | sm4-ce | CE-SM4 |
| XCBC-SM4 | shash | xcbc-sm4-ce | 400 | sm4-ce | CE-SM4 |
| CBCMAC-SM4 | shash | cbcmac-sm4-ce | 400 | sm4-ce | CE-SM4 |
| SM4-CCM | aead | ccm-sm4-ce | 400 | sm4-ce-ccm | CE-SM4 |
| SM4-GCM | aead | gcm-sm4-ce | 400 | sm4-ce-gcm | CE-SM4/PMULL |
🟢 性能数据
arm 上的性能数据来自T-Head Yitian-710 2.75 GHz环境，横坐标是输入的数据块大小（单位是字节），性能数据的单位是 Mbyte/s。
下表是 SM3 算法的性能数据，对比了纯软件实现，NEON优化实现和Crypto Extension优化实现的差异：
update-size | 16 64 256 1024 2048 4096 8192
---------------+--------------------------------------------------------
sm3-generic | 185.24 221.28 301.26 307.43 300.83 308.82 308.91
sm3-neon | 171.81 220.20 322.94 339.28 334.09 343.61 343.87
sm3-ce | 227.48 333.48 502.62 527.87 520.45 534.91 535.40
下表是SM4算法的性能数据，分别是纯软件实现，NEON优化实现和Crypto Extension优化实现的性能：
block-size | 16 64 128 256 1024 1420 4096
--------------+-------------------------------------------------------------
sm4-generic
ECB enc | 80.05 91.42 93.66 94.77 95.69 95.77 95.86
ECB dec | 79.98 91.41 93.64 94.76 95.66 95.77 95.85
CBC enc | 78.55 86.50 88.02 88.77 89.36 89.42 89.48
CBC dec | 76.82 89.06 91.52 92.77 93.75 93.83 93.96
CFB enc | 77.64 86.13 87.62 88.42 89.08 88.83 89.18
CFB dec | 77.57 88.34 90.36 91.45 92.34 92.00 92.44
CTR enc | 77.80 88.28 90.23 91.22 92.11 91.81 92.25
CTR dec | 77.83 88.22 90.22 91.22 92.04 91.82 92.28
sm4-neon
ECB enc | 28.31 112.77 203.03 209.89 215.49 202.11 210.59
ECB dec | 28.36 113.45 203.23 210.00 215.52 202.13 210.65
CBC enc | 79.32 87.02 88.51 89.28 89.85 89.89 89.97
CBC dec | 28.29 112.20 203.30 209.82 214.99 201.51 209.95
CFB enc | 79.59 87.16 88.54 89.30 89.83 89.62 89.92
CFB dec | 28.12 111.05 202.47 209.02 214.21 210.90 209.12
CTR enc | 28.04 108.81 200.62 206.65 211.78 208.78 206.74
CTR dec | 28.02 108.82 200.45 206.62 211.78 208.74 206.70
sm4-ce
ECB enc | 366.96 1329.81 2024.29 2755.50 3790.07 3861.91 4051.40
ECB dec | 367.30 1323.93 2018.72 2747.43 3787.39 3862.55 4052.62
CBC enc | 358.09 682.68 807.24 885.35 958.29 963.60 973.73
CBC dec | 366.51 1303.63 1978.64 2667.93 3624.53 3683.41 3856.08
CFB enc | 351.51 681.26 807.81 893.10 968.54 969.17 985.83
CFB dec | 354.98 1266.61 1929.63 2634.81 3614.23 3611.59 3841.68
CTR enc | 324.23 1121.25 1689.44 2256.70 2981.90 3007.79 3060.74
CTR dec | 324.18 1120.44 1694.31 2258.32 2982.01 3010.09 3060.99
CTS-CBC enc | 288.19 428.80 593.57 741.04 911.73 931.80 950.00
CTS-CBC dec | 292.22 468.99 838.23 1380.76 2741.17 3036.42 3409.62
XTS enc | 224.68 798.91 1248.08 1714.60 2413.73 2467.84 2612.62
XTS dec | 229.85 791.34 1237.79 1720.00 2413.30 2473.84 2611.95
下表是基于SM4算法的带认证哈希的Crypto Extension优化的性能数据：
update-size | 16 64 256 1024 2048 4096 8192
---------------+--------------------------------------------------------
cmac-sm4-ce | 371.99 675.28 903.56 971.65 980.57 990.40 991.04
xcbc-sm4-ce | 372.11 674.55 903.47 971.61 980.96 990.42 991.10
cbcmac-sm4-ce | 371.63 675.33 903.23 972.07 981.42 990.93 991.45
SM4 带认证的AEAD模式 CCM/GCM 在Crypto Extension优化后的性能数据：
block-size | 16 64 256 512 1024 1420 4096 8192
-----------+---------------------------------------------------------------------
CCM enc | 77.12 249.82 569.94 725.17 839.27 867.71 952.87 969.89
CCM dec | 75.90 247.26 566.29 722.12 836.90 865.95 951.74 968.57
GCM enc | 108.62 397.18 971.60 1283.92 1522.77 1513.39 1777.00 1806.96
GCM dec | 116.36 398.14 1004.27 1319.11 1624.21 1635.43 1932.54 1974.20
国密硬件加速与优化章节会重点介绍armv8下使用Crypto Extension指令优化的细节信息。