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
各位同学，咱们今天聊点硬核的。密码学，说白了就是物联网设备证明体系的「地基」。你想想看，如果连加密和签名都搞不清楚，后面签发证书、验证身份这些事根本没法落地。
我个人习惯把密码学工具分成四类：对称加密、非对称加密、哈希函数、数字签名。这四样东西，在设备证明的每个环节都会反复出现。咱们一个一个拆开讲。
2.1 对称加密：一把钥匙开一把锁
对称加密，概念上最简单。加密和解密用同一把密钥。就像你家的门锁，用同一把钥匙锁门和开门。
常见的对称加密算法有 AES、SM4、3DES。现在工业界基本只用 AES-128 或 AES-256。SM4 是国标，国内项目必须用。
| 算法 | 密钥长度 | 典型场景 |
|---|---|---|
| AES-128 | 128 bit | 设备固件加密、通信载荷加密 |
| AES-256 | 256 bit | 高安全等级设备、密钥存储加密 |
| SM4 | 128 bit | 国密合规项目、政务物联网 |
对称加密的优点是快。硬件加速下，AES-128 加密 1KB 数据只需要几微秒。缺点是密钥管理麻烦——N 个设备两两通信，需要 N×(N-1)/2 个密钥。这在物联网里根本行不通。
2.2 非对称加密：公钥私钥，各司其职
非对称加密解决了密钥分发的问题。它用一对密钥：公钥公开，私钥保密。公钥加密的数据只能用私钥解密，私钥加密的数据只能用公钥解密。
你想想看，这多方便。设备出厂时烧录私钥，公钥上传到服务器。别人想给设备发密文，直接用公钥加密就行，设备自己用私钥解密。私钥永远不出设备。
主流算法有 RSA、ECC（椭圆曲线）、SM2（国密）。RSA 现在推荐 2048 位以上，但物联网设备算力有限，我更倾向 ECC。256 位的 ECC 密钥，安全强度相当于 3072 位的 RSA，而且计算量小得多。
- 对称加密：速度快，适合加密大量数据
- 非对称加密：速度慢（慢 100-1000 倍），适合加密小数据或交换对称密钥
- 实际方案：用非对称加密传输对称密钥，再用对称密钥加密业务数据——这叫「混合加密」
我记得有一次帮客户做车联网 T-Box 安全方案。他们想直接用 RSA 加密每一条 CAN 总线数据，结果发现加密一次要 50 毫秒，车都跑出去好几米了。后来改成 ECDH 密钥协商 + AES 会话加密，延迟降到微秒级。
2.3 哈希函数：数据的「指纹」
哈希函数，输入任意长度的数据，输出固定长度的摘要。好的哈希函数有几个特点：
- 单向性：从摘要反推原始数据，计算上不可行
- 抗碰撞性：很难找到两个不同输入产生相同摘要
- 雪崩效应：输入改一个 bit，摘要一半以上的 bit 都会变
常用算法：SHA-256、SHA-3、SM3。SHA-256 输出 256 bit（32 字节），SM3 也是 256 bit。
哈希函数在设备证明里的用途：
- 固件完整性校验：计算固件哈希，和签名里的哈希对比
- 证书指纹：对证书本身做哈希，生成短标识
- 消息摘要：先对消息做哈希，再对哈希签名——这是数字签名的标准做法
2.4 数字签名：防伪造、防抵赖
数字签名，说白了就是用私钥对「消息的哈希」做加密操作。验证方用公钥解密，比对哈希值。如果一致，说明消息确实是私钥持有者签发的，而且没被篡改。
签名流程：
- 发送方对消息做哈希，得到摘要 H
- 发送方用私钥对 H 签名，得到签名值 S
- 发送方把消息和 S 一起发给接收方
- 接收方对消息做哈希，得到 H'
- 接收方用公钥解密 S，得到 H
- 比对 H 和 H'，一致则签名验证通过
常见的签名算法：RSA-PSS、ECDSA、SM2 签名。物联网设备里 ECDSA 用得最多，因为签名短、计算快。
数字签名解决了三个核心问题：
- 身份认证：只有持有私钥的人才能生成有效签名
- 完整性：消息被篡改后，哈希比对会失败
- 不可抵赖：签名者无法否认自己签过这份数据
2.5 知识体系总览
下面这张图，把本章的核心逻辑串起来了。你可以看到对称加密、非对称加密、哈希函数、数字签名之间的关系，以及它们在设备证明流程中的位置。
嗯，这张图你看懂了吗？从上往下看：对称加密和非对称加密各有优劣，组合成混合加密方案；哈希函数为数字签名提供摘要基础；数字签名和混合加密最终服务于设备证明的四大场景。
2.6 本章小结
咱们这一章把密码学的四个核心工具讲清楚了：
- 对称加密：快，但密钥分发难。适合加密大量数据。
- 非对称加密：慢，但密钥管理方便。适合加密小数据或交换密钥。
- 哈希函数：单向、抗碰撞。用于完整性校验和签名摘要。
- 数字签名：私钥签名、公钥验签。解决身份认证、完整性、不可抵赖。