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MQTT/CoAP密码套件选型与部署

📚 共计 30 章节

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受限设备概述

什么是受限设备（IoT、嵌入式、智能卡），资源限制（CPU、内存、功耗）对密码学的影响。

IoT嵌入式资源约束

密码学基础回顾

对称加密（AES）、非对称加密（RSA/ECC）、哈希函数（SHA-2/3）的核心原理。

性能基准测试

如何在目标设备上测量加密操作的耗时与内存占用，使用mbedTLS的benchmark程序。

mbedTLS基准测试性能

对称加密选型

AES-128 vs AES-256，GCM vs CCM vs CBC模式，硬件加速指令集（AES-NI）的影响。

AESGCMCCMAES-NI

非对称加密选型

RSA vs ECDSA vs Ed25519，密钥长度与安全强度权衡，签名验证速度对比。

RSAECDSAEd25519签名

哈希函数选型

SHA-256 vs SHA-3 vs BLAKE2，输出长度与碰撞安全性，HMAC与密钥派生。

SHA-256SHA-3BLAKE2HMAC

密钥交换协议

ECDH vs RSA密钥交换，前向安全性（PFS）的重要性，静态与临时密钥。

ECDHPFS密钥交换

TLS协议裁剪

TLS 1.3 vs TLS 1.2，会话恢复（Session Resumption），PSK模式。

TLS 1.3会话恢复PSK

适用于UDP的TLS变体，在CoAP/MQTT-SN中的应用，重传与超时处理。

DTLSCoAPMQTT-SNUDP

密码套件定义

IANA定义的密码套件格式，TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256解析。

IANA密码套件TLS

安全强度评估

NIST安全强度等级，密钥长度与安全比特数对照表，量子计算威胁。

NIST安全强度量子

功耗与能效

加密操作对电池寿命的影响，低功耗模式下的密码学优化，睡眠与唤醒策略。

功耗电池低功耗

代码体积优化

链接器优化、条件编译、函数内联，移除未使用的密码学组件。

代码体积链接器条件编译

内存占用优化

栈与堆的使用分析，零拷贝技术，预分配缓冲区。

内存零拷贝缓冲区

硬件加速利用

ARM Cryptography Extensions，RISC-V K扩展，专用安全芯片（SE）。

ARMRISC-V安全芯片

mbedTLS库详解

配置与编译（config.h），PSA Crypto API，替代方案（WolfSSL、OpenSSL）。

mbedTLSPSAWolfSSL

密码学库对比

mbedTLS vs WolfSSL vs OpenSSL vs 自制库，许可证与社区支持。

对比许可证社区

随机数生成

真随机数发生器（TRNG）与伪随机数发生器（PRNG），熵源管理，NIST SP 800-90A/B/C。

TRNGPRNG熵源NIST

安全存储（HSM、TEE、Flash加密），密钥生命周期，轮换与撤销。

HSMTEE密钥轮换

侧信道攻击防护

时序攻击、功耗分析、电磁辐射，恒定时间比较，掩码技术。

侧信道时序掩码

故障注入攻击

电压毛刺、时钟毛刺、激光注入，检测与缓解措施。

故障注入毛刺缓解

安全启动与固件更新

数字签名验证，信任根（RoT），安全OTP存储。

安全启动RoTOTP

安全通信协议

MQTT+TLS，CoAP+DTLS，HTTP/2与HTTP/3的密码学要求。

X.509证书解析，证书链验证，OCSP与CRL，证书固定（Pinning）。

X.509OCSPCRLPinning

合规与标准

FIPS 140-3，Common Criteria，IEC 62443，GDPR对密码学的影响。

FIPS 140-3CCIEC 62443GDPR

智能电表密码套件选择，医疗植入设备安全，车联网V2X通信。

智能电表医疗V2X

性能调优实战

使用perf和gprof分析加密热点，调整缓冲区大小，异步加密。

perfgprof异步

安全审计方法

静态分析（Coverity、Clang SA），动态分析（Valgrind、Sanitizers），模糊测试。

CoverityValgrind模糊测试

后量子密码学（Kyber、Dilithium），轻量级密码学（ASCON、GIFT），同态加密。

后量子KyberASCON同态

为指定受限设备设计并实现一套密码套件选择方案，撰写技术报告。

项目设计报告