3. 安全启动的密码学基础
Microchip 安全启动（Secure Boot）不是单一算法，而是一条由多种密码学原语串联而成的信任链。理解每个原语在链中的位置，比记住算法名称更重要。本节以 Microchip 器件（如 SAM、PIC32、CEC 系列）的典型安全启动流程为背景，说明 SHA-256、ECDSA、ECDH、AES、HMAC、TRNG 各自承担什么角色，以及密钥长度与性能之间的取舍。
一、各原语在信任链中的角色
SHA-256 是整条链的“度量尺”。固件镜像在签名前先做 SHA-256 摘要，得到 32 字节哈希值；启动时引导程序对同一镜像重新计算摘要，与签名中解出的摘要比对。SHA-256 本身不提供机密性和认证，它只保证“内容变了，摘要一定变”。在 Microchip 安全启动中，摘要通常覆盖整个镜像或按段（如 Header、Code、Config）分别计算。
ECDSA 是“签名与验签”的核心。Microchip 安全启动普遍采用 ECDSA P-256（secp256r1）或 P-384。签名方用私钥对固件摘要签名，器件端用固化在 OTP 或安全区中的公钥验签。验签通过，才认为固件来源可信且未被篡改。ECDSA 只做认证，不做加密。
ECDH 用于“密钥协商”，常见于安全启动后的安全通信或固件加密传输场景。器件与主机各自持有 ECDH 私钥，交换公钥后推导出共享密钥。它不直接参与启动验签，但为后续加密通道提供密钥材料。
AES 负责“机密性”。当固件需要加密存储或加密传输时，使用 AES-128/256（CBC 或 GCM 模式）加密镜像。安全启动中，AES 通常与 ECDH 协商出的密钥配合，或使用预置密钥。AES-GCM 还能同时提供完整性校验，但 Microchip 安全启动中更常见的是“先解密、再 SHA-256 验签”的分层结构。
HMAC 是“带密钥的完整性校验”。与 ECDSA 不同，HMAC 使用对称密钥，速度快、资源占用小，适合在资源受限的 MCU 上做快速完整性检查，或用于安全启动过程中的命令认证、防重放。HMAC-SHA256 是常见组合。
TRNG 是“随机性源头”。ECDSA 签名、ECDH 密钥生成、AES 密钥、HMAC 密钥、防重放 nonce 都依赖高质量随机数。Microchip 器件通常内置 TRNG（真随机数发生器），配合 DRBG 使用。TRNG 质量差会导致私钥可预测，直接摧毁整条信任链。
二、密钥长度选择：安全强度与资源开销
Microchip 安全启动中，密钥长度不是越大越好，而是要与器件资源、启动时间、安全等级匹配。下表给出常见组合的参考。
| 算法 | 常用长度 | 安全强度（约） | Microchip 场景建议 |
|---|---|---|---|
| SHA-256 | 256 bit | 128 bit | 默认选择，摘要长度固定 32 字节 |
| ECDSA | P-256 / P-384 | 128 / 192 bit | P-256 适合多数 MCU；P-384 用于高安全等级 |
| ECDH | P-256 / P-384 | 128 / 192 bit | 与 ECDSA 曲线保持一致，便于密钥管理 |
| AES | 128 / 256 bit | 128 / 256 bit | AES-128 速度更快；AES-256 用于长期密钥 |
| HMAC | SHA-256 | 128 bit | 密钥长度建议 ≥ 256 bit，与 SHA-256 匹配 |
| TRNG | — | 熵源质量 | 必须通过 NIST SP 800-90B 评估 |
选择时重点看三点：第一，器件是否带硬件加密加速器（如 CryptoEngine），带加速器时 P-384 与 AES-256 的开销可接受；第二，启动时间预算，ECDSA P-256 验签在 100 MHz Cortex-M4 上约几毫秒到十几毫秒，P-384 约 2～3 倍；第三，密钥存储空间，OTP 中公钥、哈希、配置字都要占位。
三、性能权衡与工程实践
在 Microchip 安全启动中，性能瓶颈通常不在 SHA-256，而在 ECDSA 验签和 AES 解密。SHA-256 有硬件加速时吞吐可达几十 MB/s，纯软件也有几 MB/s。ECDSA P-256 验签是公钥运算，涉及模逆和点乘，是启动阶段最耗时的单步。AES-256 解密若用硬件 AES 引擎，速度远快于软件实现。
一个实用的工程策略是“分层校验”：Boot ROM 只验签最小引导段（含公钥和下一级摘要），引导段再验签完整应用镜像。这样既保证信任链，又避免每次启动都对大镜像做完整公钥运算。HMAC 则用于启动后的命令通道，用对称密钥快速校验，不占用公钥运算资源。
TRNG 自检命令确认熵源正常；再在开发板上测量 P-256 验签耗时，确认满足启动时间要求；最后把公钥哈希烧入 OTP，并锁定安全配置位。
总结来说，SHA-256 负责度量，ECDSA 负责认证，ECDH 负责协商，AES 负责机密性，HMAC 负责快速完整性，TRNG 负责随机性。六者各司其职，缺一不可。密钥长度选择要在安全强度、器件资源和启动时间之间取平衡，P-256 + AES-128 + SHA-256 + HMAC-SHA256 是多数 Microchip MCU 安全启动的稳妥起点，高安全场景再升级到 P-384 + AES-256。