本日重點: 使用 Mbed TLS 產生亂數

本來是只想在 nRF5340 DK 上實驗 key handle，不過，因為 PSA Crypto 的 key lifetime 也包括將 key 存在 MCU 的 RAM，所以，為了方便在 Renode 上進行模擬，我將先在 renode 上 使用 Mbed TLS 產生亂數，然後 Day 22 會用這個亂數做種子，使用 Mbed TLS 產生金鑰。

Cache Mbed TLS

首先是在 CI 裡放一個 Mbed TLS 的 cache,
怎麼寫 yml 才能有 cache，怎麼進行 cache 前後的檢查，怎麼寫 yml 比較合適，因為那不是本系列的重點，我不想在這上面有過多的著墨以免越寫越偏，所以我就跳過了，有興趣的請看連結 [ci.yml, action.yml]。

值得提一下的是 [action.yml]，這幾個 sed 和 CFLAGS='-DMBEDTLS_NO_PLATFORM_ENTROPY -DMBEDTLS_NO_DEFAULT_ENTROPY_SOURCES -DMBEDTLS_TEST_NULL_ENTROPY'，因為這是在 make 裸機用的 mbedTLS，所以要把他們關掉。

sed -ri 's/^(\s*)#define\s+MBEDTLS_FS_IO/\1\/\/ #define MBEDTLS_FS_IO/' third_party/mbedtls/include/mbedtls/config.h
sed -ri 's/^(\s*)#define\s+MBEDTLS_HAVE_TIME_DATE/\1\/\/ #define MBEDTLS_HAVE_TIME_DATE/' third_party/mbedtls/include/mbedtls/config.h
sed -ri 's/^(\s*)#define\s+MBEDTLS_TIMING_C/\1\/\/ #define MBEDTLS_TIMING_C/' third_party/mbedtls/include/mbedtls/config.h
sed -ri 's/^(\s*)#define\s+MBEDTLS_PSA_ITS_FILE_C/\1\/\/ #define MBEDTLS_PSA_ITS_FILE_C/' third_party/mbedtls/include/mbedtls/config.h
sed -ri 's/^(\s*)#define\s+MBEDTLS_PSA_CRYPTO_STORAGE_C/\1\/\/ #define MBEDTLS_PSA_CRYPTO_STORAGE_C/' third_party/mbedtls/include/mbedtls/config.h
sed -ri 's/^(\s*)#define\s+MBEDTLS_NET_C/\1\/\/ #define MBEDTLS_NET_C/' third_party/mbedtls/include/mbedtls/config.h

make -C third_party/mbedtls lib CC=arm-none-eabi-gcc AR=arm-none-eabi-ar \
      CFLAGS='-DMBEDTLS_NO_PLATFORM_ENTROPY -DMBEDTLS_NO_DEFAULT_ENTROPY_SOURCES -DMBEDTLS_TEST_NULL_ENTROPY'

mbedTLS 準備好 cache 後就能看到這個

Mbed TLS 的 CTR_DRBG 是依照 NIST SP 800-90A 的 CTR-DRBG 演算法實作，他需要熵做 input，例如 True Random Number Generator (TRNG)。TRNG 從名字看起來就像是一個產生真亂數的產生器，但實際上他只是一個 entropy sources，是代表合規 (SP 800-90B) 的熵源，這個熵源產生的熵，是用來給 SP 800-90A 產生亂數的。

Mbed TLS 取熵是通過 mbedtls_hardware_poll，它是哪一個 implementation 是在 link time 決定的，如果是 -lnrf_cc3xx_platform，就會去讀CC310(或CC312) 的 TRNG，然後取熵。

因為 Renode 沒有 TRNG，如果還用 -lnrf_cc3xx_platform，就會因為讀不到 TRNG 而失敗。所以，在 Renode 用 Mbed TLS 產生亂數 (CTR_DRBG) 就要自己寫 mbedtls_hardware_poll 來提供熵。

TRNG 產生不了符合 800-90A 的亂數，但是 TRNG 的 output 可以給 800-90A 拿去產生亂數。

我們寫的 mbedtls_hardware_poll 只會用在 Renode 上做模擬，hardcode 就可以了

#include <stddef.h>
#include <string.h>

static const uint8_t entropy_input[32] = {
    0x15,0x2B,0x7E,0xC3,0xA1,0x9D,0x1F,0x63,
    0x5A,0x8E,0x2D,0x44,0x91,0x17,0x6B,0x3C,
    0xDE,0xAD,0xBE,0xEF,0xFE,0xED,0xFA,0xCE,
    0x12,0x34,0x56,0x78,0x9A,0xBC,0xDF,0x01
};

int mbedtls_hardware_poll(void *data,
                          unsigned char *out,
                          size_t len,
                          size_t *olen) {
    (void)data;
    for (size_t i = 0; i < len; i++) out[i] = entropy_input[i & 31];
    *olen = len;
    return 0;
}

寫完 mbedtls_hardware_poll 就可以直接使用 mbedTLS 取亂數，例如 platforms/mbedtls/rng.c

#include "../../hal_rng.h"
#include "uart_min.h"

#include <stdint.h>
#include <string.h>

#include "psa/crypto.h"
#include "mbedtls/entropy.h"
#include "mbedtls/ctr_drbg.h"

void rng_init(const uint8_t *entropy, const uint8_t *pers, size_t L) {
    psa_status_t status = psa_crypto_init();
    if (status != PSA_SUCCESS) { 
        uarte0_puts("mbedtls_ctr_drbg_seed fail");
    }
}

void rng_bytes(uint8_t *out, size_t len) {
    psa_status_t status = psa_generate_random(out, len);
    if (status != PSA_SUCCESS) { 
        uarte0_puts("mbedtls_ctr_drbg_random fail");
    }
}

psa/crypto.h 是截錄自 PSA Certified Crypto API 1.1 [2, 3, 4]，entropy.h 和 ctr_drbg.h 是來自於 mbedtls [5].

psa/crypto.h

#pragma once

#include <stdint.h>
#include <stddef.h>

/*
 * See https://arm-software.github.io/psa-api/crypto/1.1/api/library/status.html
 */

typedef int32_t psa_status_t;

#define PSA_SUCCESS ((psa_status_t)0)

/**
 * See https://arm-software.github.io/psa-api/crypto/1.1/api/library/library.html#c.psa_crypto_init
 */
psa_status_t psa_crypto_init();

/**
 * See https://arm-software.github.io/psa-api/crypto/1.1/api/ops/rng.html#c.psa_generate_random
 */
psa_status_t psa_generate_random(uint8_t *output, size_t output_size);

Makefile 在第一行加這個，強制讓 Makefile 不使用 KAT_RNG

override export KAT := 0

然後將 Makefile 的 RNG_SRC 改成 platforms/mbedtls/rng.c

# Only use KAT rng.c when make KAT_RNG=1
ifeq ($(KAT_RNG),1)
  RNG_SRC := kat/rng.c kat/kat_rng.c kat/aes256.c
  CFLAGS  += -DKAT_RNG
else
  #RNG_SRC := $(PLATFORM)/rng.c
  RNG_SRC := platforms/mbedtls/rng.c
endif

然後觀察CI的輸出

首先看到 rng.c，確實是我們剛寫的 mbedtls 底下的 rng.c

觀察到 map 有這三行，都是 mbedTLS的 library，是 CI 己經準備好的 cache

至此我們已經能用 mbedTLS 來產生亂數，這裡簡單說一下 psa_crypto_init, psa_generate_random 這兩個 function, mbedTLS 和 PSA Certified Crypto API 彼此的關係。

PSA Certified Crypto API 定義了 function prototype，而 mbedTLS 對這些 function prototype 提供了實作，所以只要 linker 連結到 libmbedcrypto.a，同時在 CFLAGS 打開對應的開關，psa_crypto_init, psa_generate_random 就會 reference 到 libmbedcrypto.a，而且，因為這是 .a，所以會是靜態連結，直接成為 elf 的一部份。

由於 mbedTLS 完成了靜態連結，PSA Certified Crypto API 的其他 function 將會很容易去呼叫，明天將會繼續在 mbedTLS 的基礎上實現 SLH-DSA 的演算法。

但，真的是透過我實作的 mbedtls_hardware_poll 去取熵嗎?

不是，除非你重新編譯 mbedTLS，否則在執行期的時候是不會跑去執行我實作的 mbedtls_hardware_poll，我試了好幾次，重新編譯 mbedTLS 也不行。我本想繼續在這件事上糾結，但我手上有實體的版子，我直接用版子上的 TRNG 就可以了。

References

1. FIPS 205 Stateless Hash-Based Digital Signature Standard
2. 8.1. Status codes
3. psa_crypto_init (function)
4. psa_generate_random (function)
5. Mbed TLS, github tag v2.28.8