密码学基础（上）：对称加密与非对称加密、哈希函数与数字签名

各位同学，咱们今天聊点硬核的。密码学这东西，说白了就是安全启动的「地基」。你想想看，如果连加密都搞不明白，后面那些签名校验、固件验证根本没法谈。我做了这么多年嵌入式安全，见过太多因为密码学基础不牢导致翻车的项目。嗯，咱们今天就把这块啃透。

对称加密，顾名思义，加密和解密用的是同一把密钥。就像你家的门锁，用同一把钥匙锁门和开门。我最早接触嵌入式安全时，第一个项目用的就是 AES-128，那时候觉得这玩意儿真简单，后来才发现坑也不少。

核心要点：对称加密速度快，适合大量数据加密。但密钥分发是个大问题——你怎么把密钥安全地交给对方？

常见的对称加密算法有这些：

我个人习惯在资源受限的 MCU 上用 AES-128，够用且性能好。但要注意，AES 有 ECB、CBC、CTR 等模式。ECB 模式千万别用——我见过有人把固件用 ECB 加密，结果密文里还能看出图片轮廓，那叫一个尴尬。

避坑指南：我曾经在一个 IoT 项目里看到同事直接用 ECB 模式加密传感器数据，结果攻击者通过统计密文块就能推断出传感器状态。记住：永远用 CBC 或 CTR 模式，并且 IV 必须随机。

非对称加密就聪明多了。它有一对密钥：公钥公开，私钥保密。公钥加密的数据只能用私钥解密，反过来私钥签名的数据可以用公钥验证。这解决了对称加密的密钥分发难题。

你想想看，如果设备出厂时烧录了服务器的公钥，那服务器用私钥签名的固件，设备就能验证真伪。这就是安全启动的核心逻辑之一。

实际项目中，我们通常混合使用：用非对称加密传递对称密钥，再用对称密钥加密实际数据。这叫「混合加密」，既安全又高效。

经验之谈：RSA 密钥长度至少 2048 位，ECC 推荐 256 位（P-256）。别为了省那点 Flash 空间用 1024 位 RSA，我见过有产品因此被破解，损失惨重。

哈希函数能把任意长度的数据，压缩成固定长度的摘要。而且它有个特性：输入稍微改一点，输出就面目全非。这就像给数据按个指纹，独一无二。

常见的哈希算法：

哈希函数在安全启动里干啥用？校验固件完整性。设备启动时计算固件的哈希值，跟出厂时记录的哈希值对比。对得上，说明固件没被篡改。

关键特性：哈希是单向的，从摘要反推原始数据在计算上不可行。所以哈希也叫「单向散列函数」。

数字签名 = 哈希 + 非对称加密。流程是这样的：

这就保证了两个事情：数据确实来自声称的发送方（防伪造），数据没有被篡改（防篡改）。

注意：签名 ≠ 加密。签名不隐藏数据内容，只保证真实性和完整性。我见过有人把签名当加密用，结果敏感数据明文传输，闹了大笑话。

下面这张图把今天讲的内容串起来了。你仔细看看，对称加密、非对称加密、哈希、数字签名之间的关系一目了然。

说了这么多理论，咱们落地到实际项目。我一般这样选型：

一个小技巧：我习惯在开发阶段用 OpenSSL 命令行生成测试密钥和签名，验证流程通了再移植到嵌入式平台。这样能省不少调试时间。

好了，密码学基础的上半部分就到这儿。对称加密、非对称加密、哈希、数字签名，这四个概念是安全启动的四大支柱。你把这四个搞明白了，后面讲签名链、信任根、固件升级验证的时候，就会觉得顺理成章。