2、密码学基础（上）：对称加密与非对称加密、哈希函数、数字签名原理
说实话，很多做嵌入式固件的兄弟，一听到「密码学」三个字就头大。我当年也一样，总觉得这是数学博士才该碰的东西。直到有一次，我在一个 IoT 项目里，因为签名校验写得过于敷衍，被客户抓了个正着……嗯，从那以后，我老老实实把这几块基础啃透了。
这一章，咱们不扯虚的。我就带你过一遍安全启动里最核心的四个概念：对称加密、非对称加密、哈希函数、数字签名。你不需要成为密码学家，但得知道它们各自解决什么问题、怎么配合、以及——哪些坑我替你踩过了。
2.1 对称加密：快，但钥匙怎么给？
对称加密，说白了就是加密和解密用同一把钥匙。就像你家里的大门，用一把钥匙锁上，也用同一把钥匙打开。
它的优点是快。硬件加速下，AES-128 加解密一个 16 字节块，也就几个时钟周期。所以在 UEFI 里，像 BIOS 镜像的某些敏感区域（比如变量存储），会用对称加密来保护机密性。
- AES（Advanced Encryption Standard）—— 目前最主流，128/192/256 位密钥
- DES/3DES —— 太老了，别用了
- SM4 —— 国密标准，国内项目常见
但问题来了：钥匙怎么安全地分发给对方？ 你想想看，如果我把 AES 密钥通过明文网络发给设备，那中间人截获了，加密还有什么意义？
2.2 非对称加密：公钥随便给，私钥藏好
非对称加密解决了钥匙分发的问题。它用一对钥匙：公钥（Public Key）和私钥（Private Key）。公钥可以公开，私钥只有你自己知道。
它的核心逻辑是：
公钥加密，私钥解密 —— 用于加密通信。
私钥签名，公钥验签 —— 用于身份认证和完整性校验。
在安全启动里，我们主要用后者。设备出厂时烧入公钥，固件发布时用私钥签名。启动时，设备用公钥验签，确认固件是官方发布的、没被篡改过。
| 特性 | 对称加密 | 非对称加密 |
|---|---|---|
| 密钥数量 | 1 个（共享密钥） | 2 个（公钥 + 私钥） |
| 速度 | 快（硬件加速） | 慢（数学运算复杂） |
| 典型算法 | AES, SM4 | RSA, ECC, SM2 |
| 主要用途 | 数据加密 | 密钥交换、数字签名 |
| 密钥分发难度 | 高 | 低（公钥可公开） |
2.3 哈希函数：指纹，不可逆
哈希函数，你可以把它理解成给数据算一个「指纹」。不管输入多大，输出固定长度（比如 SHA-256 输出 32 字节）。而且，哪怕只改一个比特，指纹就完全变了。
哈希函数有三个关键特性：
- 单向性：从哈希值无法反推出原始数据。
- 抗碰撞性：几乎不可能找到两个不同数据，哈希值相同。
- 固定输出长度：无论输入是 1 字节还是 1 GB，输出长度不变。
在安全启动里，哈希函数用来校验固件完整性。比如，我先算好固件的哈希值，然后签名时签的是这个哈希值，而不是整个固件。验签时，先算当前固件的哈希，再验签名。这样既快又安全。
- SHA-256 —— 目前最推荐，256 位输出
- SHA-1 —— 已不安全，别用了
- MD5 —— 早就被攻破了，千万别用
- SM3 —— 国密哈希标准，256 位输出
2.4 数字签名：谁签的？改过没？
数字签名，就是把哈希函数和非对称加密结合起来，解决两个问题：
- 身份认证：这个固件到底是不是官方发布的？
- 完整性校验：固件有没有被篡改过？
流程很简单：
- 签名方：对固件算哈希 → 用私钥加密哈希 → 得到签名 → 把固件和签名一起发布。
- 验签方：收到固件和签名 → 对固件算哈希 → 用公钥解密签名得到原始哈希 → 对比两个哈希是否一致。
如果一致，说明固件确实是私钥持有者签发的，且内容没被改过。
下面这张图，把整个流程串起来了：
2.5 小结：它们怎么配合？
这一章的知识点，在安全启动里是这样配合的：
- 哈希函数：给固件算指纹，保证完整性。
- 数字签名：用私钥加密哈希值，保证身份认证和防篡改。
- 非对称加密：提供公钥/私钥体系，让验签可以在公开环境下进行。
- 对称加密：在需要保护数据机密性时（比如加密存储的变量），用 AES 快速加密。