4. 密码学基础
无线仪表通常部署在开放或半开放的工业现场，报文经空中接口传输，任何具备相应射频能力的设备都可能截获、重放或篡改数据。密码学不是单一算法，而是一组按目标分工的工具：机密性靠对称/非对称加密，完整性靠哈希与消息认证码，身份真实性与不可否认性靠数字签名。理解它们各自“保护什么、不保护什么”，是后续密钥管理设计的前提。
一、五类密码学原语的核心原理
对称加密使用同一密钥完成加密与解密，典型算法有 AES-128/256、SM4。其优势是速度快、适合资源受限的无线仪表；难点在于密钥分发——n 台仪表两两通信需要 n(n-1)/2 个密钥。工作模式上，无线仪表应优先选用带认证的 AEAD 模式（如 AES-GCM、AES-CCM），一次运算同时得到密文和完整性标签，避免“先加密再单独算 MAC”的拼接错误。
非对称加密使用公钥加密、私钥解密（或私钥签名、公钥验签），典型算法有 RSA、ECC（如 secp256r1）、SM2。它解决了密钥分发问题，但运算开销大、密文膨胀明显，通常不直接加密业务数据，而是用于加密“会话密钥”或做密钥协商（ECDH）。
哈希函数把任意长度输入压缩为固定长度摘要，具备单向性和抗碰撞性，如 SHA-256、SM3。它本身不提供机密性，也不带密钥，因此单独使用只能检测“意外损坏”，无法抵御主动篡改。
消息认证码（MAC）是带密钥的哈希，如 HMAC-SHA256、CMAC-AES。它同时保证完整性和来源真实性，但通信双方共享同一密钥，因此无法向第三方证明“消息只可能由某一方发出”。
数字签名用私钥签名、公钥验签，兼具完整性、真实性和不可否认性，适合固件升级包、配置下发、审计日志等场景。
二、无线仪表场景下的选型方法
无线仪表普遍存在 MCU 主频低、RAM 小、电池供电、带宽窄等约束，选型不能只看“算法强度”，而要看“单位能耗下的安全收益”。建议按以下流程决策：
- 明确保护目标：是防窃听、防篡改、防伪造，还是防抵赖？目标不同，原语不同。
- 评估资源预算：列出可用 RAM、Flash、单次通信能耗上限与允许时延。
- 优先复用 AEAD：AES-CCM/GCM 一次完成加密与认证，减少一轮运算和报文长度。
- 非对称只用于控制面：入网认证、密钥协商、固件验签，避免逐包使用。
- 签名用于低频高价值操作：固件升级、参数下发、审计存证。
三、典型场景：固件升级与遥测上报
某化工厂无线压力变送器通过 802.15.4 接入网关。遥测上报路径采用 AES-128-CCM，每包附带 8 字节 MIC，网关用共享会话密钥校验并解密；会话密钥由 ECDH（secp256r1）协商生成，有效期 24 小时。固件升级包则由厂商用 ECDSA 私钥签名，仪表用预置公钥验签后才写入 Flash。
遥测上报帧结构（简化）：
| 帧头 | 计数器 | 密文载荷 | MIC(8B) |
2B 4B n B 8B
固件升级校验流程：
1. 读取升级包 + 签名值
2. 计算 SHA-256(package)
3. ECDSA_Verify(pubKey, hash, signature)
4. 校验通过 → 写入；失败 → 丢弃并告警该方案中，对称加密保护了数据面机密性，MAC 保证逐包完整性，非对称仅用于密钥协商和固件验签，整体能耗可控。
四、常见误区与复盘
- 误区一：用哈希代替 MAC。 哈希无密钥，攻击者可同时篡改数据和摘要，无法防主动攻击。
- 误区二：逐包使用 RSA 签名。 运算开销大、报文膨胀，电池仪表可能数天耗尽。
- 误区三：忽略计数器与随机数。 仅加密不防重放，攻击者可原样重发旧报文触发误动作。
- 误区四：自创“加密+哈希”拼接。 顺序、密钥复用处理不当会引入可证明的安全缺陷，应直接使用 AEAD 或 Encrypt-then-MAC。
五、五类原语适用性对照清单
| 原语 | 保护目标 | 典型算法 | 仪表侧开销 | 推荐用途 |
|---|---|---|---|---|
| 对称加密 | 机密性 | AES-GCM、SM4 | 低 | 遥测/控制报文加密 |
| 非对称加密 | 密钥分发 | ECC、RSA、SM2 | 高 | 会话密钥协商、入网认证 |
| 哈希函数 | 完整性（非对抗） | SHA-256、SM3 | 低 | 摘要比对、口令派生 |
| 消息认证码 | 完整性+来源真实性 | HMAC-SHA256、CMAC | 低 | 逐包防篡改 |
| 数字签名 | 真实性+不可否认性 | ECDSA、SM2 | 高 | 固件升级、配置下发、审计 |
综上，无线仪表的密码学设计应遵循“对称为主、非对称为辅、哈希与 MAC 贯穿、签名守关键”的分层原则：数据面用 AEAD 保证机密性与完整性，控制面用非对称完成密钥协商与身份认证，高价值低频操作用数字签名实现不可否认。只有把原语选型与密钥管理、计数器防重放、资源预算结合起来，才能形成真正可落地的无线仪表安全方案。