2、密码学基础：对称加密、非对称加密、哈希、数字签名、密钥交换等核心概念

TEE（可信执行环境）与 HSM（硬件安全模块）的核心职责，是保护密钥在全生命周期中的机密性、完整性与可用性。而密钥管理的一切技术根基，都建立在密码学基础之上。理解对称加密、非对称加密、哈希、数字签名与密钥交换这五大核心概念，是后续掌握密钥生成、存储、轮换、销毁等工程实践的前提。本章将从原理、判断方法、实战场景与常见误区四个维度，系统梳理这些基础概念，并建立它们与TEE/HSM硬件安全能力之间的映射关系。

2.1 对称加密：高效但密钥分发困难

核心原理

对称加密使用同一个密钥进行加密和解密操作。发送方用密钥K将明文M加密为密文C，接收方用同一密钥K将密文C解密还原为明文M。其数学表达为：C = E_K(M)，M = D_K(C)。当前工业界主流对称算法包括AES（高级加密标准，支持128/192/256位密钥）和国密SM4（分组长度128位，密钥长度128位）。对称加密的显著优势是运算速度快，硬件实现效率高，适合大数据量的加密保护。在TEE/HSM中，对称加密引擎通常以硬件IP核形式集成，支持AES-NI指令集或专用协处理器，实现GB/s级别的加解密吞吐量。

判断方法

在实际工程选型中，判断是否使用对称加密主要依据以下三点：

• 数据量大小：若单次加密数据量超过1KB，优先考虑对称加密，因为非对称加密在相同安全强度下性能低2-3个数量级。
• 密钥分发条件：如果通信双方已通过安全渠道（如TEE安全通道、HSM密钥注入）预置了共享密钥，则直接使用对称加密。
• 合规要求：金融、政务场景需遵循国密标准，使用SM4；国际业务则通常选择AES-256。

实战场景：TEE内部数据加密

在移动设备TEE环境中，当安全应用需要将用户指纹模板加密后存储到普通文件系统时，典型操作如下：

// TEE内部使用AES-256-GCM加密指纹模板
uint8_t key[32] = {0x2B, 0x7E, ...};  // 由TEE密钥管理模块生成
uint8_t iv[12] = {0x00, 0x01, ...};   // 随机初始化向量
aes_gcm_encrypt(key, iv, fingerprint_data, fingerprint_len, ciphertext, tag);
// 密文和tag存储到REE侧文件系统，密钥永不离开TEE

该场景中，密钥由TEE内部安全生成并存储在安全存储区，REE侧即使获取密文也无法解密，因为密钥不可提取。

2.2 非对称加密：解决密钥分发难题

核心原理

非对称加密使用一对数学关联的密钥：公钥（Public Key）和私钥（Private Key）。公钥公开分发，私钥严格保密。用公钥加密的数据只能用私钥解密，反之亦然。主流算法包括RSA（基于大整数分解难题，2048/3072/4096位）、ECC（基于椭圆曲线离散对数难题，256位即可达到AES-128同等安全强度）和国密SM2（基于ECC，256位）。非对称加密的核心价值在于：无需预先共享密钥即可建立安全通信，且私钥永不离开HSM/TEE安全边界。

判断方法

实战场景：HSM中的密钥对生成与使用

在金融支付HSM中，为商户生成RSA-2048签名密钥对时，私钥在HSM内部生成后直接存入安全存储区，公钥通过安全通道导出。整个过程中，私钥以明文形式仅存在于HSM的易失性内存中，任何外部接口都无法读取私钥明文。签名操作通过HSM提供的PKCS#11接口调用，应用层只能获得签名结果。

2.3 哈希函数：数据完整性保障

核心原理

哈希函数将任意长度的输入数据映射为固定长度的输出（摘要），具有单向性（无法从摘要反推原文）、抗碰撞性（难以找到两个不同输入产生相同摘要）和雪崩效应（输入微小变化导致输出巨大变化）。常用算法包括SHA-256（输出256位）、SHA-3（新一代标准）和国密SM3（输出256位）。哈希函数本身不涉及密钥，但它是数字签名、HMAC、密钥派生等机制的基础组件。

判断方法

选择哈希算法时需考虑：

1. 安全强度：SHA-1已被碰撞攻击突破，禁止使用；SHA-256及以上为当前最低要求。
2. 性能需求：硬件哈希加速器通常支持SHA-256/SM3，吞吐量可达10Gbps以上。
3. 合规性：国内等保、密评要求使用SM3。

案例拆解：固件完整性校验

TEE启动过程中，Boot ROM计算固件镜像的SHA-256摘要，与存储在OTP（一次性可编程）中的黄金摘要比对。若匹配则加载固件，否则拒绝启动。该机制确保固件未被篡改。具体流程：

// Boot ROM中的校验逻辑（伪代码）
digest = sha256(firmware_image);
golden_digest = read_otp(0x1000);
if (digest != golden_digest) {
    abort_boot();
} else {
    execute(firmware_image);
}

此场景中，OTP存储的黄金摘要在芯片出厂时烧录，不可更改，从硬件层面保证了信任根。

2.4 数字签名：认证与不可否认性

核心原理

数字签名结合哈希函数与非对称加密，实现三个安全目标：认证（确认发送者身份）、完整性（数据未被篡改）、不可否认性（发送者无法否认发送行为）。签名过程：发送方对消息M计算哈希H(M)，用私钥对H(M)加密得到签名S；验证方用公钥解密S得到H'(M)，再计算H(M)并比对。若一致则签名有效。主流签名算法包括RSA-PSS、ECDSA和SM2。

判断方法

在TEE/HSM场景中，数字签名主要用于：

• 代码签名：TEE中的可信应用（TA）必须经过签名才能加载执行。
• 证书签发：HSM作为CA根，签发下级证书。
• 交易认证：支付HSM对交易报文进行签名。

实战场景：TEE TA签名验证

以ARM TrustZone为例，TA镜像在REE侧加载前，TEE内核需验证其签名。TA头部包含签名值，TEE内核使用预置的TA签名公钥验证。该公钥在TEE固件编译时嵌入，存储在安全存储区。验证流程：

1. TEE内核读取TA镜像头部，获取签名值S和消息摘要算法标识。
2. 计算TA代码段的SHA-256摘要H。
3. 使用公钥对S解密，得到H'。
4. 比对H与H'，一致则加载执行。

此机制确保只有经过授权的开发者签名的TA才能在TEE中运行，防止恶意代码注入。

2.5 密钥交换：安全建立共享密钥

核心原理

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。经典方案包括Diffie-Hellman（DH）和椭圆曲线Diffie-Hellman（ECDH）。其核心思想基于离散对数难题：双方各自生成私钥a和b，计算公钥A = g^a mod p和B = g^b mod p并交换，各自计算共享密钥K = B^a mod p = A^b mod p = g^(ab) mod p。但传统DH易受中间人攻击，需结合数字签名或证书进行身份认证。现代TLS 1.3使用ECDHE（临时ECDH）实现前向保密。

判断方法

选择密钥交换方案时需评估：

案例拆解：TEE与HSM之间的安全通道建立

在车联网场景中，车机TEE需要与云端HSM建立安全通道。双方使用ECDHE协议：

// TEE侧生成临时密钥对
ecdh_keypair_t ephemeral = generate_ecdh_keypair(secp256r1);
send_public_key(ephemeral.public_key);
// 接收HSM公钥后计算共享密钥
ecdh_shared_secret_t shared = compute_shared_secret(ephemeral.private_key, hsm_public_key);
// 使用KDF派生会话密钥
session_key = hkdf(shared, salt, "session-key");

该过程中，TEE的私钥在安全环境中生成并运算，HSM同样在硬件安全边界内完成计算。即使攻击者截获公钥，也无法在计算可行时间内推导出私钥。会话密钥用于后续的对称加密通信，且每次会话独立，实现前向保密。

2.6 常见误区与总结复盘