3. 密码学基础

在车载HSM密码服务与安全存储工程中，所有安全能力最终都落在六类基础密码原语上：对称加密、非对称加密、哈希、MAC、数字签名与密钥交换。它们不是彼此替代的关系，而是分别解决“机密性、完整性、身份真实性、密钥分发”四类问题。理解它们的输入输出、密钥形态与信任假设，是后续设计密钥层级、安全存储结构和诊断安全访问的前提。

一、六类原语的核心定位

对称加密使用同一把密钥完成加密与解密，典型算法为AES-128/256，工作模式常见CBC、CTR、GCM。它的优势是速度快、适合大数据量，例如对整车日志、固件分块、NVM中的敏感配置进行加密。非对称加密使用公钥与私钥配对，典型算法为RSA、ECC（如P-256、Ed25519），适合小数据量加密、签名验证和密钥封装，但计算开销明显高于对称算法。

哈希函数（SHA-256、SHA-3）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，用于完整性度量、口令派生和签名前的消息压缩。MAC（如HMAC-SHA256、CMAC-AES）在哈希或分组密码基础上引入共享密钥，既验证完整性又验证持有同一密钥的实体身份。数字签名用私钥生成、公钥验证，提供不可否认性，是OTA包、诊断授权、证书链验证的关键。密钥交换（ECDH、DH）让双方在不安全信道上协商出共享会话密钥，解决“对称密钥如何安全到达对端”的问题。

二、方法流程：从明文到可信数据的典型链路

在车载场景中，一条完整的安全数据链路通常按以下顺序组合原语：

1. 发送方用哈希对消息计算摘要，保证后续签名只处理定长数据。
2. 用私钥对摘要执行签名运算，生成数字签名，随消息一起下发。
3. 若消息需要保密，则用对称密钥以AES-GCM加密，GCM同时输出认证标签，等价于“加密+MAC”。
4. 对称密钥本身通过ECDH协商，或用接收方公钥做密钥封装后传输。
5. 接收方先验证签名与证书链，再用共享密钥解密并校验认证标签，最后比对哈希摘要。

这条链路体现了“非对称解决信任与密钥分发，对称解决吞吐，哈希解决压缩与度量，MAC解决完整性”的分工。任何一环缺失，都会导致安全目标不完整。

三、车载场景案例：OTA升级包的验证与解密

假设T-Box从云端下载一个OTA升级包，包体较大且需防止篡改和伪造。工程实现通常如下：

云端：
  digest = SHA-256(firmware)
  signature = ECDSA_Sign(OEM_PrivateKey, digest)
  sessionKey = ECDH(OEM_Ephemeral_Priv, Vehicle_Pub)
  ciphertext, tag = AES-256-GCM(sessionKey, firmware)

车端HSM：
  1) 用OEM公钥验证 signature，确认来源与完整性
  2) 用ECDH协商同一 sessionKey
  3) AES-GCM解密并校验 tag
  4) 再次计算 SHA-256 与签名中的 digest 比对
  5) 校验通过后写入安全存储区，密钥不出HSM边界

这里数字签名保证“包来自OEM且未被篡改”，AES-GCM保证“包体机密且传输完整”，ECDH保证“会话密钥不通过明文信道传输”。三者缺一不可。

四、常见误区与复盘

五、原语对比清单