AES/CBC加密和解密的速度区别？

Question

我想知道，理论上，在以下条件下，AES/CBC 解密与 AES/CBC 加密相比会慢多少：

• 32字节（256位）的加密密钥；
• 16 字节（128 位）的块大小。

我问的原因是我想知道我拥有的一个实现的解密速度是否异常慢。我对不同大小的随机内存块做了一些测试。结果如下：

64B：

64KB：

10MB – 520MB：

所有数据都存储在我系统的内部存储器中。应用程序自己生成要加密的数据。虚拟内存在测试 PC 上被禁用，因此不会有任何 I/O 调用。

在分析表时，加密和解密的区别是否意味着我的实现异常缓慢？我是不是做错了什么？

更新：

• 此测试在另一台电脑上执行；
• 此测试使用随机数据执行；
• Crypto++ 用于 AES/CBC 加密和解密。

解密实现如下：

CryptoPP::AES::Decryption aesDecryption(aesKey, ENCRYPTION_KEY_SIZE_AES);
CryptoPP::CBC_Mode_ExternalCipher::Decryption cbcDecryption(aesDecryption, aesIv);

CryptoPP::ArraySink * decSink = new CryptoPP::ArraySink(data, dataSizeMax);
CryptoPP::StreamTransformationFilter stfDecryptor(cbcDecryption, decSink);
stfDecryptor.Put(reinterpret_cast<const unsigned char*>(ciphertext), cipherSize);
stfDecryptor.MessageEnd();

*dataOutputSize = decSink->TotalPutLength(); 

更新 2：

• 添加了 64 字节块的结果

Answer 1

作为对称加密，加解密应该是fairly close in speed。不确定您的实施，但there are ways to optimize if you're concerned about how the algorithm was used。在实验中，AES is not the fastest and CBC 会增加安全性，但会减慢速度。这是一个比较，因为您询问的是键和块大小：

Answer 2

在分析表时，加密和解密的区别是否意味着我的实现异常缓慢？我是不是做错了什么？

三四件事突然出现在我身上。我有点同意@JamesKPolk - 数字看起来不对。首先，加密库通常以 CTR 模式而不是 CBC 模式为基准。另请参阅SUPERCOP benchmarks。您必须使用每字节周期数 (cpb) 来规范跨机器的测量单位。在没有上下文的情况下说“9 MB/s”毫无意义。

其次，我们需要知道机器及其 CPU 频率。看起来您正在以 9 MB/s 的速度推送数据进行加密，以 6.5 MB/s 的速度进行解密。现代 iCore 机器，如Core-i5 running at 2.7 GHz，将以 2.5 或 3.0 cpb 左右的速度推送 CBC 模式数据，大约为 980 MB/s 或 1 GB/s。甚至我的旧Core2 Duo running at 2.0 GHz 移动数据的速度也比您显示的要快。 Core 2 以 14.5 cpb 或 130 MB/s 的速度移动数据。

第三，废弃这段代码。有很大的改进空间，因此在这种情况下不值得批评；推荐的代码如下。值得一提的是，您正在创建很多对象，例如 ArraySource 和 StreamTransformationFilter。过滤器添加了填充，这会扰乱 AES 加密和解密基准并扭曲结果。只需要一个加密对象，然后调用ProcessBlock或ProcessString即可。

CryptoPP::AES::Decryption aesDecryption(aesKey, ENCRYPTION_KEY_SIZE_AES);
CryptoPP::CBC_Mode_ExternalCipher::Decryption cbcDecryption(aesDecryption, aesIv);
...

第四，Crypto++ wiki 有一个Benchmarks article，代码如下。它是一个新部分，当您提出问题时不可用。以下是运行测试的方法。

AutoSeededRandomPool prng;
SecByteBlock key(16);
prng.GenerateBlock(key, key.size());

CTR_Mode<AES>::Encryption cipher;
cipher.SetKeyWithIV(key, key.size(), key);

const int BUF_SIZE = RoundUpToMultipleOf(2048U,
    dynamic_cast<StreamTransformation&>(cipher).OptimalBlockSize());

AlignedSecByteBlock buf(BUF_SIZE);
prng.GenerateBlock(buf, buf.size());

const double runTimeInSeconds = 3.0;
const double cpuFreq = 2.7 * 1000 * 1000 * 1000;
double elapsedTimeInSeconds;
unsigned long i=0, blocks=1;

ThreadUserTimer timer;
timer.StartTimer();

do
{
    blocks *= 2;
    for (; i<blocks; i++)
        cipher.ProcessString(buf, BUF_SIZE);
    elapsedTimeInSeconds = timer.ElapsedTimeAsDouble();
}
while (elapsedTimeInSeconds < runTimeInSeconds);

const double bytes = static_cast<double>(BUF_SIZE) * blocks;
const double ghz = cpuFreq / 1000 / 1000 / 1000;
const double mbs = bytes / 1024 / 1024 / elapsedTimeInSeconds;
const double cpb = elapsedTimeInSeconds * cpuFreq / bytes;

std::cout << cipher.AlgorithmName() << " benchmarks..." << std::endl;
std::cout << "  " << ghz << " GHz cpu frequency"  << std::endl;
std::cout << "  " << cpb << " cycles per byte (cpb)" << std::endl;
std::cout << "  " << mbs << " MiB per second (MiB)" << std::endl;

在 Core-i5 6400 上以 2.7 GHz 运行代码会导致：

$ ./bench.exe
AES/CTR benchmarks...
  2.7 GHz cpu frequency
  0.58228 cycles per byte (cpb)
  4422.13 MiB per second (MiB)

第五，当我修改上面显示的基准程序以操作64字节块时：

const int BUF_SIZE = 64;
unsigned int blocks = 0;
...

do
{
    blocks++;
    cipher.ProcessString(buf, BUF_SIZE);
    elapsedTimeInSeconds = timer.ElapsedTimeAsDouble();
}
while (elapsedTimeInSeconds < runTimeInSeconds);

对于 64 字节块，Core-i5 6400 在 2.7 GHz 下的速度为 3.4 cpb 或 760 MB/s。该库因缓冲区较小而受到打击，但大多数（所有？）库都会这样做。

$ ./bench.exe
AES/CTR benchmarks...
  2.7 GHz cpu frequency
  3.39823 cycles per byte (cpb)
  757.723 MiB per second (MiB)

第六，您需要让处理器退出省电模式或低能耗状态，以获得最佳/最一致的结果。该库使用governor.sh 在 Linux 上执行此操作。它位于TestScript/ 目录中。

第七，当我切换到CTR模式解密时：

CTR_Mode<AES>::Decryption cipher;
cipher.SetKeyWithIV(key, key.size(), key);

然后我看到批量解密的速率大致相同：

$ ./bench.exe
AES/CTR benchmarks...
  2.7 GHz cpu frequency
  0.579923 cycles per byte (cpb)
  4440.11 MiB per second (MiB)

第八，这里是一组不同机器上的基准数据。它应该在您调整测试时提供一个粗略的目标。

运行频率为 980 MHz 的 Beaglebone 开发板移动数据的速率是您报告的两倍。 Beaglebone 实现了无聊的 40 cpb 和 20 MB/s，因为它是标准的 C/C++；并且没有针对 A-32 进行优化。

• Skylake Core-i5 @2.7 GHz

  • https://www.cryptopp.com/benchmarks.html

• Core2 Duo @ 2.0 GHz

  • https://www.cryptopp.com/benchmarks-core2.html

• LeMaker HiKey Kirik SoC Aarch64 @1.2 GHz

  • https://www.cryptopp.com/benchmarks-hikey.html

• AMD Opteron Aarch64 @2.0 GHz

  • https://www.cryptopp.com/benchmarks-opteron.html

• BananaPi Cortex-A7 开发板@860MHz

  • https://www.cryptopp.com/benchmarks-bananapi.html

• IBM Power8 服务器@4.1 GHz

  • https://www.cryptopp.com/benchmarks-power8.html

---

我的收获是：

• CTR 模式批量加密和解密在现代机器上大致相同
• CTR 模式密钥设置不一样，在现代机器上解密需要更长的时间
• 小块比大块更昂贵

这是我希望看到的一切。

我认为您的下一步是使用 Crypto++ wiki 上的the sample program 收集一些数据，然后评估结果。

Answer 3

理论上，AES 解密要慢 30%。这是 Rijndael 系统的一般属性。

来源：http://www4.ncsu.edu/~hartwig/Teaching/437/aes.pdf