1. 课程导入

在物联网设备中，安全存储与密钥管理是整条信任链的“根”。无论是设备身份认证、固件安全启动、安全通信，还是远程证明与安全升级，最终都依赖于一个可信的密钥与数据存储底座。TF-M（Trusted Firmware-M）作为 Arm 平台安全架构（PSA）在 Cortex-M 上的参考实现，把安全存储与密钥管理作为其核心安全服务之一，为资源受限的 MCU 提供标准化、可认证的安全能力。

本课程围绕 TF-M 的安全存储（Secure Storage）与密钥管理（Key Management）展开，从概念、架构、接口、实现到调试与排障，逐层建立完整的知识体系。第 1 章作为导入，重点回答三个问题：TF-M 安全存储与密钥管理“是什么”、“为什么重要”、“整体如何组织”。

一、核心定义：安全存储与密钥管理在 TF-M 中的位置

TF-M 将系统划分为安全处理环境（SPE）与非安全处理环境（NSPE），并通过 PSA 接口向应用暴露安全服务。安全存储与密钥管理属于 SPE 中的安全服务，通常由以下组件构成：

• PSA Crypto：提供密钥生成、导入、导出、加解密、签名验签、哈希等密码学操作。
• PSA Internal Trusted Storage（ITS）：存储设备内部可信的小块数据，如密钥句柄、计数器、配置标志。
• PSA Protected Storage（PS）：存储需要机密性与完整性保护的应用数据，支持更大容量与更灵活的生命周期管理。
• 密钥管理：负责密钥的生成、派生、存储、使用策略与销毁，确保密钥永不离开安全边界。

简单来说，ITS 解决“可信小数据放哪里”，PS 解决“受保护大数据放哪里”，PSA Crypto 解决“密钥怎么用”，三者共同构成 TF-M 的安全存储与密钥管理能力。

二、整体知识框架：从接口到实现的五层结构

为了便于学习，我们可以把本课程的知识框架抽象为五层：应用接口层、服务层、密钥与存储管理层、硬件抽象层、信任根层。下图展示了 TF-M 安全存储与密钥管理的整体结构关系。

从图中可以看到，非安全应用通过 PSA 接口发起请求，安全服务层进行策略检查后，由密钥与存储管理层完成实际的密钥操作与数据保护，最终落到硬件抽象层与信任根。这种分层设计使得安全存储与密钥管理既具备标准化接口，又能适配不同芯片平台。

三、典型场景：为什么物联网设备离不开它

以一个智能门锁为例，设备需要与云端进行双向认证、接收加密的开门指令、保存本地用户凭证，并支持固件安全升级。如果没有 TF-M 的安全存储与密钥管理，常见做法是把密钥硬编码在固件中或明文存放在 Flash，一旦固件被读取，密钥即泄露，攻击者可伪造设备或解密通信。

引入 TF-M 后，设备私钥在安全边界内生成并存储，应用只能通过句柄调用签名接口；用户凭证存入 PS，具备机密性与完整性保护；升级镜像的验签公钥由信任根保护。这样即使非安全世界被攻破，攻击者也无法直接导出密钥。

四、学习目标与常见误区

完成本课程后，学习者应能够：理解 TF-M 安全存储与密钥管理的整体架构；掌握 PSA Crypto、ITS、PS 三类接口的调用方式与差异；能够配置存储后端与密钥策略；能够定位常见的密钥导入失败、存储空间不足、访问被拒绝等问题。

下面是一段典型的 PSA Crypto 密钥生成与使用的伪代码，帮助建立初步印象：

psa_status_t status;
psa_key_id_t key_id;
psa_key_attributes_t attr = PSA_KEY_ATTRIBUTES_INIT;

psa_set_key_type(&attr, PSA_KEY_TYPE_ECC_KEY_PAIR(PSA_ECC_FAMILY_SECP_R1));
psa_set_key_bits(&attr, 256);
psa_set_key_usage_flags(&attr, PSA_KEY_USAGE_SIGN_HASH);
psa_set_key_algorithm(&attr, PSA_ALG_ECDSA(PSA_ALG_SHA_256));

status = psa_generate_key(&attr, &key_id);
if (status != PSA_SUCCESS) {
    /* 处理密钥生成失败 */
}

/* 后续使用 key_id 进行签名，密钥明文不离开安全存储 */

从这段代码可以看出，应用只接触属性与句柄，不接触密钥材料。这正是 TF-M 安全存储与密钥管理的设计精髓：把复杂性留在安全世界，把简单、安全的接口留给应用。