3、密码学基础：对称加密、非对称加密、哈希函数、消息认证码、数字签名、密钥交换协议及其在安全芯片中的应用

密码学是硬件安全芯片（如安全MCU、TPM、SE、HSM）实现机密性、完整性、真实性和不可否认性的技术基石。安全芯片的评估（如CC EAL）本质上是对其密码算法实现、密钥管理、物理防护和协议交互的综合验证。本章将系统梳理对称加密（AES/DES）、非对称加密（RSA/ECC）、哈希函数（SHA-2/3）、消息认证码（MAC）、数字签名和密钥交换协议的核心原理，并结合安全芯片的典型应用场景（如安全启动、固件加密、通信保护、证书认证）进行工程化拆解。理解这些基础原语及其在芯片中的实现约束，是后续进行安全评估、漏洞分析和CC认证的前提。

3.1 对称加密：AES与DES在安全芯片中的实现与评估要点

3.1.1 核心原理与算法特性

对称加密使用同一把密钥进行加密和解密，其安全性依赖于密钥的保密性。在安全芯片领域，AES（高级加密标准）已成为主流，而DES/3DES因密钥长度不足（56位）和块大小限制（64位），已逐步被淘汰，仅在兼容旧系统时保留。AES采用SPN（替换-置换网络）结构，支持128/192/256位密钥，分组长度为128位。在硬件实现中，AES引擎通常包含S盒替换、行移位、列混合和轮密钥加四个步骤，轮数根据密钥长度分别为10/12/14轮。

安全芯片中的AES实现通常采用硬件加速器方式，而非软件实现，原因在于：硬件实现具有更高的吞吐率（可达Gbps级别）、更低的功耗，且能有效抵抗时序侧信道攻击。在CC EAL评估中，评估人员会重点检查AES引擎是否采用了掩码（Masking）、隐藏（Hiding）或乱序执行等抗侧信道措施。

3.1.2 操作模式与安全等级

安全芯片中AES的操作模式直接影响安全性等级。ECB模式不应使用（相同明文产生相同密文），CBC模式需要随机IV，GCM/CCM模式提供认证加密（AEAD），CTR模式支持并行处理。下表总结了常见模式的安全特性：

3.1.3 案例拆解：安全芯片Flash固件加密

某IoT安全芯片需要对其外部Flash中存储的固件进行加密保护，防止固件被提取和逆向。设计约束：芯片主频200MHz，Flash读取速度50MB/s，要求加密延迟不超过10ms。初始方案采用CBC模式，但发现每次启动需要读取整个固件（2MB）进行解密，耗时约40ms，超出要求。分析后改用CTR模式，利用其可并行特性，将解密操作与Flash读取流水线化，最终延迟降至8ms。同时，为每个固件版本生成随机IV，并存储在芯片内部OTP区域，防止重放攻击。该案例说明，在安全芯片设计中，密码算法模式的选择需要结合系统级性能约束，而非仅考虑密码学强度。

3.2 非对称加密：RSA与ECC的工程选型与安全评估

3.2.1 核心原理与安全强度对比

非对称加密使用公钥/私钥对，公钥可公开，私钥必须安全存储。RSA基于大整数分解难题，密钥长度通常为2048/3072/4096位；ECC基于椭圆曲线离散对数难题，在相同安全强度下密钥长度更短（P-256约等于RSA-3072）。在安全芯片中，ECC因其计算量小、密钥短、功耗低等优势，正逐步取代RSA成为主流选择，尤其在资源受限的IoT设备中。

安全芯片中的私钥存储是核心安全边界。私钥必须存储在芯片内部的非易失性安全存储区（如OTP或专用Flash区域），且受硬件访问控制策略保护，任何软件接口都无法直接读取私钥明文。CC EAL评估中，会验证私钥是否可通过侧信道（如功耗分析、电磁辐射）被提取。

3.2.2 判断方法：RSA与ECC的选型决策

• 安全强度需求：若需兼容现有PKI体系（如X.509证书），RSA仍被广泛支持；若为新建系统，优先选择ECC。
• 性能约束：ECC签名速度比RSA快2-3倍，密钥生成速度快10倍以上；但RSA验签速度较快。
• 芯片资源：ECC需要更少的存储空间（密钥、中间结果），适合低内存安全芯片。
• 抗量子安全：两者均受量子计算威胁，需关注NIST PQC标准进展。

3.2.3 实战场景：安全芯片中的ECDSA签名验证

在安全启动流程中，BootROM需要验证固件签名。某安全芯片采用ECDSA P-256签名，公钥存储在芯片OTP中。验证流程：BootROM读取固件头部签名值（64字节），计算固件哈希（SHA-256），然后调用硬件ECC引擎执行签名验证。关键参数：签名值r和s各32字节，公钥为64字节（未压缩格式）。硬件实现中，ECC引擎需要支持模逆运算和标量乘法，这些操作容易受到时序侧信道攻击。因此，评估人员会检查ECC引擎是否采用固定时间执行（Constant-Time）算法，以及是否对中间值进行随机化处理。

3.3 哈希函数与消息认证码：完整性保护与认证机制

3.3.1 哈希函数核心原理

哈希函数将任意长度消息压缩为固定长度摘要，具有单向性、抗碰撞性和雪崩效应。SHA-2系列（SHA-256/384/512）是目前最广泛使用的哈希算法，SHA-3（Keccak）作为NIST标准，采用海绵结构，提供不同的设计冗余。在安全芯片中，哈希引擎通常与DMA控制器集成，支持对Flash、SRAM或外部存储器的直接哈希计算，用于启动时的完整性度量。

3.3.2 消息认证码（MAC）与哈希的区别

MAC在哈希基础上引入共享密钥，提供消息认证功能，防止消息被篡改且能验证发送方身份。HMAC（基于哈希的MAC）和CMAC（基于分组密码的MAC）是两种主要实现方式。HMAC构造为：HMAC(K,m) = H((K' ⊕ opad) || H((K' ⊕ ipad) || m))，其中K'为密钥填充后的值。在安全芯片中，MAC计算通常用于安全通信协议（如TLS记录层）和固件认证。

3.3.3 案例拆解：安全启动中的哈希链验证

某车规级安全芯片采用多级安全启动机制。BootROM（一级）验证Bootloader（二级）的签名，Bootloader再验证应用固件（三级）的签名。每级验证均需计算哈希值并与存储的参考值比对。关键设计：参考哈希值存储在芯片OTP中，且每级验证的哈希计算使用不同的上下文（Context），防止哈希长度扩展攻击。实际测试中，发现SHA-256引擎在计算大文件（4MB）时，DMA传输与哈希计算存在竞争，导致性能下降30%。优化方案：采用双缓冲DMA，将数据读取和哈希计算流水线化，最终性能提升至理论值的95%。

3.4 数字签名与密钥交换协议：安全芯片的信任根

3.4.1 数字签名原理与芯片应用

数字签名提供不可否认性和完整性保护。签名过程：发送方使用私钥对消息哈希进行签名，接收方使用公钥验证签名。在安全芯片中，数字签名主要用于：固件签名（防止恶意固件）、设备认证（证明芯片身份）、安全通信（TLS握手）。ECC签名（ECDSA）和EdDSA（Ed25519）是当前主流选择。安全芯片的签名私钥必须存储在芯片内部，且签名操作在硬件安全边界内完成，软件只能调用签名接口，无法获取私钥。

3.4.2 密钥交换协议：ECDH与TLS握手

密钥交换协议允许通信双方在不安全的信道上协商出共享密钥。ECDH（椭圆曲线Diffie-Hellman）是当前最常用的密钥交换算法。在安全芯片场景中，ECDH通常与数字签名结合，形成经过认证的密钥交换（如TLS 1.3中的ECDHE_ECDSA）。安全芯片作为TLS客户端或服务器时，其私钥用于签名握手消息，公钥用于验证对端身份，ECDH参数用于生成会话密钥。

3.4.3 实战场景：安全芯片与主机之间的安全通道建立

某安全芯片需要与外部MCU建立安全通信通道。协议流程：① 芯片生成临时ECDH密钥对；② 芯片使用其长期签名私钥对临时公钥进行签名；③ 芯片将临时公钥和签名发送给MCU；④ MCU验证签名，生成自己的临时ECDH密钥对，计算共享密钥；⑤ 双方使用共享密钥派生会话密钥（通过HKDF）。该流程中，芯片的TRNG质量至关重要，若随机数可预测，则ECDH密钥可被恢复。评估中，需验证TRNG的熵源质量、去偏处理和后处理算法。

3.5 密码学原语在安全芯片中的综合应用与评估总结

安全芯片的密码学设计不是简单堆砌算法，而是需要构建一个完整的信任链体系。以安全启动为例：芯片BootROM使用内置公钥验证Bootloader签名（ECDSA），Bootloader使用AES-GCM解密应用固件，同时使用HMAC验证固件完整性，整个过程中哈希引擎（SHA-256）贯穿始终。在CC EAL评估中，评估人员会从以下维度进行综合审查：

• 算法正确性：是否符合FIPS/NIST标准，是否通过已知测试向量验证。
• 密钥管理：密钥生成、存储、更新、销毁的全生命周期管理。
• 侧信道防护：功耗、电磁、时序、缓存等侧信道攻击的防护措施。
• 故障注入防护：电压/时钟毛刺、激光注入等物理攻击的抵抗能力。
• 协议安全：密钥交换、签名验证等协议流程是否完整、无逻辑漏洞。