密码学基础回顾（上）：对称加密与非对称加密的区别，哈希函数的特性
做固件安全，说白了就是跟密钥和算法打交道。我见过不少团队，上来就撸代码实现验签，结果连最基本的加密概念都没搞清楚，最后踩坑踩到怀疑人生。这一章咱们把密码学基础捋一遍，重点说清楚三件事：对称加密、非对称加密、哈希函数。这些是固件验签的基石，绕不过去。
对称加密：一把钥匙开一把锁
对称加密，顾名思义，加密和解密用的是同一把密钥。就像你家的门锁，用同一把钥匙锁门、开门。
我刚开始做嵌入式时，觉得对称加密挺简单的。直到有一次，我在一个IoT设备里用AES-128加密固件分区，密钥硬编码在代码里。结果产品上市不到两周，就被黑客用JTAG把固件dump出来，密钥直接暴露。嗯，从那以后我再也不敢把密钥明文放固件里了。
核心特点：
- 速度快：硬件加速下，AES-128加解密能达到Gbps级别，适合大量数据
- 密钥管理难：通信双方必须共享同一密钥，分发过程容易被截获
- 典型算法：AES、DES（已淘汰）、SM4（国密）
在固件验签场景里，对称加密用得不多。为什么？因为你要把密钥分发给所有设备，一旦某个设备被攻破，密钥就泄露了，整个产品线都得遭殃。你想想看，这风险谁扛得住？
非对称加密：公钥私钥，各司其职
非对称加密就不一样了。它有一对密钥：公钥公开，私钥保密。公钥加密的数据只能用私钥解密，反过来，私钥签名的数据只能用公钥验证。
这玩意儿在固件验签里是主角。我参与过一个车载ECU的OTA项目，固件包就是用RSA-2048签名的。设备端只存公钥，私钥放在厂家的HSM（硬件安全模块）里。就算黑客把设备拆了，拿到公钥也没用——他伪造不了签名。
| 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） |
| 加解密速度 | 快（硬件加速可达Gbps） | 慢（RSA-2048约几千次/秒） |
| 密钥分发 | 困难，需要安全通道 | 公钥可公开，私钥自留 |
| 典型用途 | 数据加密传输 | 数字签名、密钥交换 |
| 固件验签适用性 | 低（密钥泄露风险高） | 高（公钥验签，私钥安全） |
不过非对称加密也有短板——慢。RSA-2048签名一次，在普通MCU上可能要几百毫秒。所以实际工程里，我们通常不会直接用非对称加密去加密整个固件，而是用它来签名固件的哈希值。这个后面会细讲。
哈希函数：数据的指纹
哈希函数，你可以把它理解成数据的「指纹」。不管输入是一段文字还是一个10MB的固件，哈希函数都会输出一个固定长度的摘要（比如SHA-256输出32字节）。
哈希函数有两个核心特性，做固件安全必须吃透：
1. 单向性
从哈希值反推原始数据，理论上是不可能的。你想想看，SHA-256的输出只有256位，但输入可以是任意长度。信息量压缩了，就不可能无损还原。我在项目中见过有人试图「解密」哈希值，这完全是误解——哈希不是加密，它没有解密过程。
2. 抗碰撞性
找到两个不同的输入，让它们的哈希值相同，这在计算上是不可行的。SHA-256的抗碰撞强度是128位，什么意思？就是你要尝试2^128次才能找到一对碰撞。以现在的算力，这比中彩票还难。
注意：MD5和SHA-1已经被证明存在实际碰撞攻击。我曾经审计过一个老项目，固件验签用的还是MD5，结果用现成的工具几分钟就伪造出了碰撞。赶紧换SHA-256，别犹豫。
固件验签中的哈希应用
哈希函数在固件验签里扮演两个角色：
- 完整性校验：计算固件的哈希值，跟官方发布的哈希对比，看固件有没有被篡改
- 签名对象：对固件的哈希值做签名，而不是对固件本身。因为哈希值很短（32字节），签名速度快得多
我个人习惯的做法是：先用SHA-256计算固件的哈希，然后用RSA私钥对这个哈希签名。设备端收到固件后，同样计算哈希，再用公钥验证签名。这样既保证了完整性，又保证了真实性。
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、哈希函数在固件验签中的位置和关系。
小技巧：在资源受限的MCU上，如果RSA验签太慢，可以考虑用ECDSA。同样的安全强度下，ECDSA的密钥更短，验签速度也更快。我在一个Cortex-M0的项目里，用ECDSA P-256把验签时间从800ms降到了120ms。
好了，这一章的基础就到这里。对称加密、非对称加密、哈希函数，这三者的区别和用途，是后面所有工程化落地的前提。你把这些概念吃透了，后面讲签名流程、密钥管理、防回滚这些实战内容时，才能跟得上节奏。